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Modulo 3. Impianti industriali Sezione 3.1 Impianti di trasporto in sospensione fluida: il trasporto pneumatico Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Ing. Marco Pellegrini Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna Viale Risorgimento 2, 40136, Bologna Italy Corso di Impianti Meccanici Laurea Magistrale 1

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Modulo 3 Impianti industriali

Sezione 31 Impianti di trasporto in sospensione fluida il

trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

1

Agenda

2

Introduzione al trasporto pneumatico

Sistema di forze che agiscono in un moto in

sospensione fluida

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

3

I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il

trasporto di materiale in polvere solidi granulari o materiali incoerenti Il

sistema egrave completamente chiuso confinato in una condotta senza alcun tipo di

contatto e contaminazione tra materiale e ambiente e viceversa

Il trasporto pneumatico sostanzialmente prevede che il materiale da movimentare

venga spinto nella tubazione da un fluido portante messo in pressione o in

depressione da una soffiante o compressore

Il fluido portante egrave aria secca nellrsquoipotesi in cui si trasportino materiali igroscopici

o azoto se il materiale da movimentare puograve generare atmosfere potenzialmente

esplosive

Campi di applicazione

- Industria chimica e di processo

- Industria dei materiali da costruzione

- Industria alimentare

- Industria della lavorazione del legno

- Fonderie

- Agricoltura

Introduzione al trasporto pneumatico

4

1 Trasporto pneumatico

in aspirazione (la

soffiante egrave a valle

dellrsquoimpianto)

2 Trasporto pneumatico

in compressione (la

soffiante egrave a monte

dellrsquoimpianto)

3 Trasporto pneumatico

misto

Legenda

C Ciclone separatore

D Dispositivo dosatore

F Filtro

S Soffiante

T Testa aspirante

TR Tramoggia

Agenda

5

Introduzione al trasporto pneumatico

Sistema di forze che agiscono in un moto in

sospensione fluida

Parametri fondamentali

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

6

Forze agenti sulla fase solida

Forze agenti sul fluido portante

c = velocitagrave media assiale del solido

v = velocitagrave media assiale del gas

vrsquoy = componente radiale della velocitagrave di

caduta libera del solido

Ms = massa del materiale da trasportare

Mf = massa del mezzo portante

W = forza di resistenza al flusso

FRs = forza drsquoattrito sul solido

FRf = forza drsquoattrito sul mezzo portante

Fq = forza di sollevamento

e = volume interstiziale di riferimento

p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale

A = sezione dellrsquoelemento di volume

infinitesimo considerato

dl = lunghezza dellrsquoelemento di volume

infinitesimo considerato

d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto

W = forza resistente

WS= velocitagrave di caduta libera del solido

Si considera un volume 119889119881 = 119860 ∙ 119889119897 con angolo di inclinazione β e si impostano per ogni fase i bilanci delle forze

sulla fase solida e sul fluido portante

7

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Bilancio delle forze sulla fase solida

Sulla fase solida di un elemento di volume 119889119881 = 119860 ∙ 119889119897 agiscono

- la forza peso 119866119878

- la forza di inerzia 119872119878 ∙ Τ119889119888119889119905

- la forza premente del fluido portante sulla sezione entrante del volume 1 minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119901

- la forza premente del fluido portante sulla sezione uscente del volume 1 minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119901 + 119889119901 - la resistenza del flusso sulle particelle solide W

- la forza di attrito sulle pareti 119865119877119878

- le forze trasversali del mezzo portante per il trasporto in sospensione 119865119902

Per lo stato di equilibrio in direzione assiale la somma di tutte le forze deve essere nulla

minus 1 minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119889119901 minus 119866119878 ∙ sin 120573 + 119882 minus 119872119878 ∙ ൗ119889119888119889119905 minus 119865119877119878 = 0 (1)

119872119878= massa del solido A = sezione del condotto

e = volume interstiziale di riferimento 119866119878 = peso del solido

β = inclinazione del condotto W = forza di resistenza al flusso

c = velocitagrave media assiale del solido 119865119877119878 = forza di attrito sulle pareti

p = pressione statica del mezzo portante

dp = differenza di pressione tra ingresso e uscita del volume considerato

8

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Bilancio di lavoro sul mezzo portante

Per il mezzo portante sullo stesso volume 119889119881 = 119860 ∙ 119889119897 si esegue un bilancio di potenza in quanto il fluido apporta

energia Sul mezzo portante agiscono

- la forza peso 119866119891

- la forza di inerzia 119872119891 ∙ Τ119889119907119889119905

- la forza di pressione sulla sezione entrante del volume 119890 ∙ 119860 ∙ 119901

- la forza di pressione sulla sezione uscente del volume 119890 ∙ 119860 ∙ 119901 + 119889119901 - la resistenza del solido sul fluido W (opposta rispetto alla resistenza del fluido sul solido)

- la forza di attrito sulle pareti 119865119877119891

- le forze trasversali del mezzo portante per il trasporto in sospensione 119865119902

Il bilancio del lavoro risulta dalla somma dei prodotti delle componenti assiali delle forze elencate e la velocitagrave

assiale portante v

minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119889119901 ∙ 119907 minus 119866119891 ∙ sin 120573 ∙ 119907 minus 119882 ∙ 119907 minus 119872119891 ∙ ൗ119889119907119889119905 ∙ 119907 minus 119865119877119891 ∙ 119907 minus 119865119902 ∙ 119907prime

119910 = 0 (2)

v = velocitagrave media assiale del fluido portante W = forza di resistenza al flusso

119872119891= massa del fluido portante β = inclinazione del condotto

A = sezione del condotto e = volume interstiziale di riferimento

119866119891 = peso del fluido portante 119865119877119891 = forza di attrito sulle pareti

p = pressione statica del mezzo portante 119907prime119910 = velocitagrave trasversale del fluido

119866119878 = peso del solido 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

119881119878 = volume del solido ρf = densitagrave del mezzo portante

dp = differenza di pressione tra ingresso e uscita del volume g = accelerazione gravitazionale

(119866119878 minus 119881119878120588119891119892) cos 120573 119908119878 cos 120573

9

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Equazione del moto

Uguagliando la perdita di carico dp nellrsquoequazione (1) e nellrsquoequazione (2) si ottiene lrsquoequazione generale del

moto per il trasporto con inclinazione verso lrsquoalto si ottiene

119882 = 119890 119866119904 sin 120573 + 119865119877119878 + 119872119878 ∙ ൗ119889119888119889119905 minus

1 minus 119890

119890119866119891 sin 120573 + 119865119877119891 + 119872119891 ∙ ൗ119889119907

119889119905 + 119866119878 minus 119881119878120588119891119892 cos2 120573119908119878

119907

sostituendoMasse e pesi

119872119891 = 119890ρ119891V rarr 119866119891 = 119872119891g

119872119878 = 1 minus 119890 ρ119878V rarr 119866119878 = 119872119878g

Accelerazioni

ൗ119889119907119889119905 = ൗ119889119907

119889119897 ∙ ൗ119889119897119889119905 = 119907 ൗ119889119907

119889119897ൗ119889119888

119889119905 = ൗ119889119888119889119897 ∙ ൗ119889119897

119889119905 = 119888 ൗ119889119888119889119897

Resistenza

119882 = 119888119882

120588119891

2(119907 minus 119888) 119907 minus 119888

1205871198891198782

4

119872119878

1205871198891198783

6120588119878

Forze di attrito

119865119877119891 = 119890 λ119891

ρ119891

2

1199072

119889V

119865119877119878 = 1 minus 119890 λ119878

ρ119878

2

1198882

119889119881

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λf = coefficiente di perdita di carico cW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119889+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119889+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119878

119888 1199071198881199001199042120573

Deriva

10

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Equazione della perdita di carico

Uguagliando la resistenza W nellrsquoequazione (1) e nellrsquoequazione (2) si ottiene lrsquoequazione generale di perdita di

carico per il trasporto con inclinazione verso lrsquoalto

minus 119889119901 ∙ 119860 = 119866119891 sin 120573 + 119865119877119891 + 119872119891 ∙ ൗ119889119907119889119905 + 119866119878 minus 119881119878120588119891119892 cos2 120573

119908119878

119907+ 119866119878 ∙ sin 120573 + 119865119877119878 + 119872119878 ∙ ൗ119889119888

119889119905

sostituendo Masse e pesi

119872119891 = 119890ρ119891V rarr 119866119891 = 119872119891g

119872119878 = 1 minus 119890 ρ119878V rarr 119866119878 = 119872119878g

Accelerazioni

ൗ119889119907119889119905 = ൗ119889119907

119889119897 ∙ ൗ119889119897119889119905 = 119907 ൗ119889119907

119889119897ൗ119889119888

119889119905 = ൗ119889119888119889119897 ∙ ൗ119889119897

119889119905 = 119888 ൗ119889119888119889119897

119860 = ൗ119881119889119897

Forze di attrito

119865119877119891 = 119890 λ119891

ρ119891

2

1199072

119889V

119865119877119878 = 1 minus 119890 λ119878

ρ119878

2

1198882

119889119881

Deriva

minus119889119901

119889119897= 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119889+ ρ119891119907

119889119907

119889119897+ (1 minus 119890) ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119878

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ ρ119904119888

119889119888

119889119897

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λf = coefficiente di perdita di carico cW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

11

Equazione del moto

Equazione della perdita di carico

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119889+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119889+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

minus119889119901

119889119897= 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119889+ ρ119891119907

119889119907

119889119897+ (1 minus 119890) ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119878

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ ρ119904119888

119889119888

119889119897

Resistenza Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza di inerzia

del solido

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λfs = coefficiente di perdita di carico fluidosolidocW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

Parametri da determinare λs ds e

Agenda

12

Introduzione al trasporto pneumatico

Sistema di forze che agiscono in un moto in

sospensione fluida

Parametri fondamentali

13

Coefficiente di resistenza di una sfera in funzione dellrsquoindice Res esprime la resistenza di un corpo

in moto in un fluido

119882 = 119888119882 119860119904

120588119891

2(119907 minus 119888) |119907 minus 119888|

W = forza di resistenza

cW = coefficiente di resistenza

As = area di sezione trasversale

del corpo solido

ρf = densitagrave del mezzo portante

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

Res =119889119904 vminusc

ν

Res = numero di Reynolds del solido

ds = diametro del corpo solido

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

ν = viscositagrave cinematica del mezzo

portante

Parametri fondamentali

14

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della sfericitagrave

Le particelle trasportante non sono in genere di forma sferica Un parametro che ne tiene conto egrave la

sfericitagrave Ψ rapporto tra le superfici di una sfera e di una particella aventi lo stesso volume (Ψlt1) Il

coefficiente di resistenza 119888119908 aumenta al diminuire della sfericitagrave Ψ

Parametri fondamentali

15

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della forma dei corpi

Particelle di geometria uguale possono avere diversi coefficienti di resistenza se egrave diversa la forma

degli spigoli In particolare il 119888119908 crescono con la diminuzione dei raggi di curvatura degli spigoli vivi

(angoli piugrave vivi)

Parametri fondamentali

16

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoarrotondamento relativo degli spigoli

Lrsquoandamento del 119888119908 per i corpi bidimensionali cambia con il rapporto tra il raggio di curvatura degli

angoli e lrsquoaltezza dei corpi

Parametri fondamentali

119903119896 = raggio di curvatura degli angoli dei corpi solidi

119889119904= altezza dei corpi

17

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119907 ≫ 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro ≪ 30

119907 gt 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro lt 30

119908119904 gt 119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro asymp 30

119908119904 gt 119907 rarr 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro gt 30

a) Trasporto a volo e rispett in sospensione

trasporto in corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

b) Trasporto a salto trasporto in corrente

rarefatta quasi-stazionaria distribuzione non

omogenea del solido

c) Trasporto a rivoli trasporto in corrente densa

quasi-stazionaria distribuzione non omogenea

del solido

d) Trasporto a dune trasporto in corrente densa

instazionaria distribuzione non omogenea del

solido

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

18

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119908119904gtlt

119907 ≪ 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904gtlt

119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30119889119904 lt 100 micro119898

e) Trasporto a tampone trasporto in

corrente densa instazionaria

f) Trasporto a spinta trasporto in corrente

densa stazionaria distribuzione omogenea

del solido

g) Trasporto a flusso trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria distribuzione del

solido da omogenea a eterogenea

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide 119889119904 = diametro del solido

micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

19

Gli stati del trasporto trasporto verticale

119907 ≫ 1199081199040

micro ≪ 10

119907 gt 1199081199040

micro le 20

a) e b) Trasporto a volo trasporto a

corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

c) Trasporto a palle

passaggio al trasporto

in corrente densa

d) Trasporto a rivoli

trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

Parametri fondamentali

20

Gli stati del trasporto trasporto verticale

e) Trasporto

instazionario a

tampone trasporto

in corrente densa

f) Trasporto

stazionario a

spinta trasporto

in corrente densa

g) Trasporto quasi-

stazionario a flusso

trasporto in corrente

densa

1199081199040lt 119907

ltgt

119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

Parametri fondamentali

21

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina Le rette 1 e 3 indicano il gradiente di pressione per il

flusso attraverso il tubo vuoto e un mucchio bloccato

rispettivamente

bullSe un mucchio non stazionario viene attraversato dal

fluido a velocitagrave crescente il gradiente si sposta verso

3a fino al punto di turbolenza 4 in cui la perdita di

pressione egrave abbastanza grande da portare il mucchio

Se la velocitagrave cresce il peso del mucchio in

turbolenza non cambia ma aumenta la sua

dilatazione e la perdita di carico diminuisce seguendo

la curva 5 fino a raggiungere la velocitagrave di caduta del

singolo grano 1199081199040 2

bullSe il mucchio egrave bloccato con vagli il gradiente passa

il punto 4 in linea retta 3b Sulla retta 3 il volume dello spazio interstiziale egrave Ɛ=1 Il traporto verso lrsquoalto egrave possibile nel campo delimitato

da 1 e 2 5 e 3b (su di essi micro=0)

Nel trasporto a volo e in sospensione (b) il gradiente

di pressione egrave simile a quello della corrente pura (a)

Quando v cala la corrente (b) si smiscela raggiunge

un minimo (c) e sale rapidamente vicino alla velocitagrave

di caduta (d) Nel campo della velocitagrave di caduta si

passa al trasporto instazionario a tampone (e) Se la

soffiante genera sufficiente pressioni a velocitagrave minori

si puograve avere un trasporto a spinta per particelle grosse

(f) o a flusso per particelle piugrave fini (g) con gradienti di

pressione elevati

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 2: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

Agenda

2

Introduzione al trasporto pneumatico

Sistema di forze che agiscono in un moto in

sospensione fluida

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

3

I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il

trasporto di materiale in polvere solidi granulari o materiali incoerenti Il

sistema egrave completamente chiuso confinato in una condotta senza alcun tipo di

contatto e contaminazione tra materiale e ambiente e viceversa

Il trasporto pneumatico sostanzialmente prevede che il materiale da movimentare

venga spinto nella tubazione da un fluido portante messo in pressione o in

depressione da una soffiante o compressore

Il fluido portante egrave aria secca nellrsquoipotesi in cui si trasportino materiali igroscopici

o azoto se il materiale da movimentare puograve generare atmosfere potenzialmente

esplosive

Campi di applicazione

- Industria chimica e di processo

- Industria dei materiali da costruzione

- Industria alimentare

- Industria della lavorazione del legno

- Fonderie

- Agricoltura

Introduzione al trasporto pneumatico

4

1 Trasporto pneumatico

in aspirazione (la

soffiante egrave a valle

dellrsquoimpianto)

2 Trasporto pneumatico

in compressione (la

soffiante egrave a monte

dellrsquoimpianto)

3 Trasporto pneumatico

misto

Legenda

C Ciclone separatore

D Dispositivo dosatore

F Filtro

S Soffiante

T Testa aspirante

TR Tramoggia

Agenda

5

Introduzione al trasporto pneumatico

Sistema di forze che agiscono in un moto in

sospensione fluida

Parametri fondamentali

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

6

Forze agenti sulla fase solida

Forze agenti sul fluido portante

c = velocitagrave media assiale del solido

v = velocitagrave media assiale del gas

vrsquoy = componente radiale della velocitagrave di

caduta libera del solido

Ms = massa del materiale da trasportare

Mf = massa del mezzo portante

W = forza di resistenza al flusso

FRs = forza drsquoattrito sul solido

FRf = forza drsquoattrito sul mezzo portante

Fq = forza di sollevamento

e = volume interstiziale di riferimento

p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale

A = sezione dellrsquoelemento di volume

infinitesimo considerato

dl = lunghezza dellrsquoelemento di volume

infinitesimo considerato

d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto

W = forza resistente

WS= velocitagrave di caduta libera del solido

Si considera un volume 119889119881 = 119860 ∙ 119889119897 con angolo di inclinazione β e si impostano per ogni fase i bilanci delle forze

sulla fase solida e sul fluido portante

7

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Bilancio delle forze sulla fase solida

Sulla fase solida di un elemento di volume 119889119881 = 119860 ∙ 119889119897 agiscono

- la forza peso 119866119878

- la forza di inerzia 119872119878 ∙ Τ119889119888119889119905

- la forza premente del fluido portante sulla sezione entrante del volume 1 minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119901

- la forza premente del fluido portante sulla sezione uscente del volume 1 minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119901 + 119889119901 - la resistenza del flusso sulle particelle solide W

- la forza di attrito sulle pareti 119865119877119878

- le forze trasversali del mezzo portante per il trasporto in sospensione 119865119902

Per lo stato di equilibrio in direzione assiale la somma di tutte le forze deve essere nulla

minus 1 minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119889119901 minus 119866119878 ∙ sin 120573 + 119882 minus 119872119878 ∙ ൗ119889119888119889119905 minus 119865119877119878 = 0 (1)

119872119878= massa del solido A = sezione del condotto

e = volume interstiziale di riferimento 119866119878 = peso del solido

β = inclinazione del condotto W = forza di resistenza al flusso

c = velocitagrave media assiale del solido 119865119877119878 = forza di attrito sulle pareti

p = pressione statica del mezzo portante

dp = differenza di pressione tra ingresso e uscita del volume considerato

8

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Bilancio di lavoro sul mezzo portante

Per il mezzo portante sullo stesso volume 119889119881 = 119860 ∙ 119889119897 si esegue un bilancio di potenza in quanto il fluido apporta

energia Sul mezzo portante agiscono

- la forza peso 119866119891

- la forza di inerzia 119872119891 ∙ Τ119889119907119889119905

- la forza di pressione sulla sezione entrante del volume 119890 ∙ 119860 ∙ 119901

- la forza di pressione sulla sezione uscente del volume 119890 ∙ 119860 ∙ 119901 + 119889119901 - la resistenza del solido sul fluido W (opposta rispetto alla resistenza del fluido sul solido)

- la forza di attrito sulle pareti 119865119877119891

- le forze trasversali del mezzo portante per il trasporto in sospensione 119865119902

Il bilancio del lavoro risulta dalla somma dei prodotti delle componenti assiali delle forze elencate e la velocitagrave

assiale portante v

minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119889119901 ∙ 119907 minus 119866119891 ∙ sin 120573 ∙ 119907 minus 119882 ∙ 119907 minus 119872119891 ∙ ൗ119889119907119889119905 ∙ 119907 minus 119865119877119891 ∙ 119907 minus 119865119902 ∙ 119907prime

119910 = 0 (2)

v = velocitagrave media assiale del fluido portante W = forza di resistenza al flusso

119872119891= massa del fluido portante β = inclinazione del condotto

A = sezione del condotto e = volume interstiziale di riferimento

119866119891 = peso del fluido portante 119865119877119891 = forza di attrito sulle pareti

p = pressione statica del mezzo portante 119907prime119910 = velocitagrave trasversale del fluido

119866119878 = peso del solido 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

119881119878 = volume del solido ρf = densitagrave del mezzo portante

dp = differenza di pressione tra ingresso e uscita del volume g = accelerazione gravitazionale

(119866119878 minus 119881119878120588119891119892) cos 120573 119908119878 cos 120573

9

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Equazione del moto

Uguagliando la perdita di carico dp nellrsquoequazione (1) e nellrsquoequazione (2) si ottiene lrsquoequazione generale del

moto per il trasporto con inclinazione verso lrsquoalto si ottiene

119882 = 119890 119866119904 sin 120573 + 119865119877119878 + 119872119878 ∙ ൗ119889119888119889119905 minus

1 minus 119890

119890119866119891 sin 120573 + 119865119877119891 + 119872119891 ∙ ൗ119889119907

119889119905 + 119866119878 minus 119881119878120588119891119892 cos2 120573119908119878

119907

sostituendoMasse e pesi

119872119891 = 119890ρ119891V rarr 119866119891 = 119872119891g

119872119878 = 1 minus 119890 ρ119878V rarr 119866119878 = 119872119878g

Accelerazioni

ൗ119889119907119889119905 = ൗ119889119907

119889119897 ∙ ൗ119889119897119889119905 = 119907 ൗ119889119907

119889119897ൗ119889119888

119889119905 = ൗ119889119888119889119897 ∙ ൗ119889119897

119889119905 = 119888 ൗ119889119888119889119897

Resistenza

119882 = 119888119882

120588119891

2(119907 minus 119888) 119907 minus 119888

1205871198891198782

4

119872119878

1205871198891198783

6120588119878

Forze di attrito

119865119877119891 = 119890 λ119891

ρ119891

2

1199072

119889V

119865119877119878 = 1 minus 119890 λ119878

ρ119878

2

1198882

119889119881

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λf = coefficiente di perdita di carico cW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119889+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119889+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119878

119888 1199071198881199001199042120573

Deriva

10

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Equazione della perdita di carico

Uguagliando la resistenza W nellrsquoequazione (1) e nellrsquoequazione (2) si ottiene lrsquoequazione generale di perdita di

carico per il trasporto con inclinazione verso lrsquoalto

minus 119889119901 ∙ 119860 = 119866119891 sin 120573 + 119865119877119891 + 119872119891 ∙ ൗ119889119907119889119905 + 119866119878 minus 119881119878120588119891119892 cos2 120573

119908119878

119907+ 119866119878 ∙ sin 120573 + 119865119877119878 + 119872119878 ∙ ൗ119889119888

119889119905

sostituendo Masse e pesi

119872119891 = 119890ρ119891V rarr 119866119891 = 119872119891g

119872119878 = 1 minus 119890 ρ119878V rarr 119866119878 = 119872119878g

Accelerazioni

ൗ119889119907119889119905 = ൗ119889119907

119889119897 ∙ ൗ119889119897119889119905 = 119907 ൗ119889119907

119889119897ൗ119889119888

119889119905 = ൗ119889119888119889119897 ∙ ൗ119889119897

119889119905 = 119888 ൗ119889119888119889119897

119860 = ൗ119881119889119897

Forze di attrito

119865119877119891 = 119890 λ119891

ρ119891

2

1199072

119889V

119865119877119878 = 1 minus 119890 λ119878

ρ119878

2

1198882

119889119881

Deriva

minus119889119901

119889119897= 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119889+ ρ119891119907

119889119907

119889119897+ (1 minus 119890) ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119878

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ ρ119904119888

119889119888

119889119897

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λf = coefficiente di perdita di carico cW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

11

Equazione del moto

Equazione della perdita di carico

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119889+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119889+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

minus119889119901

119889119897= 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119889+ ρ119891119907

119889119907

119889119897+ (1 minus 119890) ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119878

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ ρ119904119888

119889119888

119889119897

Resistenza Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza di inerzia

del solido

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λfs = coefficiente di perdita di carico fluidosolidocW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

Parametri da determinare λs ds e

Agenda

12

Introduzione al trasporto pneumatico

Sistema di forze che agiscono in un moto in

sospensione fluida

Parametri fondamentali

13

Coefficiente di resistenza di una sfera in funzione dellrsquoindice Res esprime la resistenza di un corpo

in moto in un fluido

119882 = 119888119882 119860119904

120588119891

2(119907 minus 119888) |119907 minus 119888|

W = forza di resistenza

cW = coefficiente di resistenza

As = area di sezione trasversale

del corpo solido

ρf = densitagrave del mezzo portante

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

Res =119889119904 vminusc

ν

Res = numero di Reynolds del solido

ds = diametro del corpo solido

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

ν = viscositagrave cinematica del mezzo

portante

Parametri fondamentali

14

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della sfericitagrave

Le particelle trasportante non sono in genere di forma sferica Un parametro che ne tiene conto egrave la

sfericitagrave Ψ rapporto tra le superfici di una sfera e di una particella aventi lo stesso volume (Ψlt1) Il

coefficiente di resistenza 119888119908 aumenta al diminuire della sfericitagrave Ψ

Parametri fondamentali

15

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della forma dei corpi

Particelle di geometria uguale possono avere diversi coefficienti di resistenza se egrave diversa la forma

degli spigoli In particolare il 119888119908 crescono con la diminuzione dei raggi di curvatura degli spigoli vivi

(angoli piugrave vivi)

Parametri fondamentali

16

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoarrotondamento relativo degli spigoli

Lrsquoandamento del 119888119908 per i corpi bidimensionali cambia con il rapporto tra il raggio di curvatura degli

angoli e lrsquoaltezza dei corpi

Parametri fondamentali

119903119896 = raggio di curvatura degli angoli dei corpi solidi

119889119904= altezza dei corpi

17

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119907 ≫ 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro ≪ 30

119907 gt 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro lt 30

119908119904 gt 119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro asymp 30

119908119904 gt 119907 rarr 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro gt 30

a) Trasporto a volo e rispett in sospensione

trasporto in corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

b) Trasporto a salto trasporto in corrente

rarefatta quasi-stazionaria distribuzione non

omogenea del solido

c) Trasporto a rivoli trasporto in corrente densa

quasi-stazionaria distribuzione non omogenea

del solido

d) Trasporto a dune trasporto in corrente densa

instazionaria distribuzione non omogenea del

solido

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

18

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119908119904gtlt

119907 ≪ 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904gtlt

119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30119889119904 lt 100 micro119898

e) Trasporto a tampone trasporto in

corrente densa instazionaria

f) Trasporto a spinta trasporto in corrente

densa stazionaria distribuzione omogenea

del solido

g) Trasporto a flusso trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria distribuzione del

solido da omogenea a eterogenea

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide 119889119904 = diametro del solido

micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

19

Gli stati del trasporto trasporto verticale

119907 ≫ 1199081199040

micro ≪ 10

119907 gt 1199081199040

micro le 20

a) e b) Trasporto a volo trasporto a

corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

c) Trasporto a palle

passaggio al trasporto

in corrente densa

d) Trasporto a rivoli

trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

Parametri fondamentali

20

Gli stati del trasporto trasporto verticale

e) Trasporto

instazionario a

tampone trasporto

in corrente densa

f) Trasporto

stazionario a

spinta trasporto

in corrente densa

g) Trasporto quasi-

stazionario a flusso

trasporto in corrente

densa

1199081199040lt 119907

ltgt

119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

Parametri fondamentali

21

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina Le rette 1 e 3 indicano il gradiente di pressione per il

flusso attraverso il tubo vuoto e un mucchio bloccato

rispettivamente

bullSe un mucchio non stazionario viene attraversato dal

fluido a velocitagrave crescente il gradiente si sposta verso

3a fino al punto di turbolenza 4 in cui la perdita di

pressione egrave abbastanza grande da portare il mucchio

Se la velocitagrave cresce il peso del mucchio in

turbolenza non cambia ma aumenta la sua

dilatazione e la perdita di carico diminuisce seguendo

la curva 5 fino a raggiungere la velocitagrave di caduta del

singolo grano 1199081199040 2

bullSe il mucchio egrave bloccato con vagli il gradiente passa

il punto 4 in linea retta 3b Sulla retta 3 il volume dello spazio interstiziale egrave Ɛ=1 Il traporto verso lrsquoalto egrave possibile nel campo delimitato

da 1 e 2 5 e 3b (su di essi micro=0)

Nel trasporto a volo e in sospensione (b) il gradiente

di pressione egrave simile a quello della corrente pura (a)

Quando v cala la corrente (b) si smiscela raggiunge

un minimo (c) e sale rapidamente vicino alla velocitagrave

di caduta (d) Nel campo della velocitagrave di caduta si

passa al trasporto instazionario a tampone (e) Se la

soffiante genera sufficiente pressioni a velocitagrave minori

si puograve avere un trasporto a spinta per particelle grosse

(f) o a flusso per particelle piugrave fini (g) con gradienti di

pressione elevati

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 3: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

Introduzione al trasporto pneumatico

3

I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il

trasporto di materiale in polvere solidi granulari o materiali incoerenti Il

sistema egrave completamente chiuso confinato in una condotta senza alcun tipo di

contatto e contaminazione tra materiale e ambiente e viceversa

Il trasporto pneumatico sostanzialmente prevede che il materiale da movimentare

venga spinto nella tubazione da un fluido portante messo in pressione o in

depressione da una soffiante o compressore

Il fluido portante egrave aria secca nellrsquoipotesi in cui si trasportino materiali igroscopici

o azoto se il materiale da movimentare puograve generare atmosfere potenzialmente

esplosive

Campi di applicazione

- Industria chimica e di processo

- Industria dei materiali da costruzione

- Industria alimentare

- Industria della lavorazione del legno

- Fonderie

- Agricoltura

Introduzione al trasporto pneumatico

4

1 Trasporto pneumatico

in aspirazione (la

soffiante egrave a valle

dellrsquoimpianto)

2 Trasporto pneumatico

in compressione (la

soffiante egrave a monte

dellrsquoimpianto)

3 Trasporto pneumatico

misto

Legenda

C Ciclone separatore

D Dispositivo dosatore

F Filtro

S Soffiante

T Testa aspirante

TR Tramoggia

Agenda

5

Introduzione al trasporto pneumatico

Sistema di forze che agiscono in un moto in

sospensione fluida

Parametri fondamentali

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

6

Forze agenti sulla fase solida

Forze agenti sul fluido portante

c = velocitagrave media assiale del solido

v = velocitagrave media assiale del gas

vrsquoy = componente radiale della velocitagrave di

caduta libera del solido

Ms = massa del materiale da trasportare

Mf = massa del mezzo portante

W = forza di resistenza al flusso

FRs = forza drsquoattrito sul solido

FRf = forza drsquoattrito sul mezzo portante

Fq = forza di sollevamento

e = volume interstiziale di riferimento

p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale

A = sezione dellrsquoelemento di volume

infinitesimo considerato

dl = lunghezza dellrsquoelemento di volume

infinitesimo considerato

d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto

W = forza resistente

WS= velocitagrave di caduta libera del solido

Si considera un volume 119889119881 = 119860 ∙ 119889119897 con angolo di inclinazione β e si impostano per ogni fase i bilanci delle forze

sulla fase solida e sul fluido portante

7

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Bilancio delle forze sulla fase solida

Sulla fase solida di un elemento di volume 119889119881 = 119860 ∙ 119889119897 agiscono

- la forza peso 119866119878

- la forza di inerzia 119872119878 ∙ Τ119889119888119889119905

- la forza premente del fluido portante sulla sezione entrante del volume 1 minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119901

- la forza premente del fluido portante sulla sezione uscente del volume 1 minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119901 + 119889119901 - la resistenza del flusso sulle particelle solide W

- la forza di attrito sulle pareti 119865119877119878

- le forze trasversali del mezzo portante per il trasporto in sospensione 119865119902

Per lo stato di equilibrio in direzione assiale la somma di tutte le forze deve essere nulla

minus 1 minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119889119901 minus 119866119878 ∙ sin 120573 + 119882 minus 119872119878 ∙ ൗ119889119888119889119905 minus 119865119877119878 = 0 (1)

119872119878= massa del solido A = sezione del condotto

e = volume interstiziale di riferimento 119866119878 = peso del solido

β = inclinazione del condotto W = forza di resistenza al flusso

c = velocitagrave media assiale del solido 119865119877119878 = forza di attrito sulle pareti

p = pressione statica del mezzo portante

dp = differenza di pressione tra ingresso e uscita del volume considerato

8

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Bilancio di lavoro sul mezzo portante

Per il mezzo portante sullo stesso volume 119889119881 = 119860 ∙ 119889119897 si esegue un bilancio di potenza in quanto il fluido apporta

energia Sul mezzo portante agiscono

- la forza peso 119866119891

- la forza di inerzia 119872119891 ∙ Τ119889119907119889119905

- la forza di pressione sulla sezione entrante del volume 119890 ∙ 119860 ∙ 119901

- la forza di pressione sulla sezione uscente del volume 119890 ∙ 119860 ∙ 119901 + 119889119901 - la resistenza del solido sul fluido W (opposta rispetto alla resistenza del fluido sul solido)

- la forza di attrito sulle pareti 119865119877119891

- le forze trasversali del mezzo portante per il trasporto in sospensione 119865119902

Il bilancio del lavoro risulta dalla somma dei prodotti delle componenti assiali delle forze elencate e la velocitagrave

assiale portante v

minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119889119901 ∙ 119907 minus 119866119891 ∙ sin 120573 ∙ 119907 minus 119882 ∙ 119907 minus 119872119891 ∙ ൗ119889119907119889119905 ∙ 119907 minus 119865119877119891 ∙ 119907 minus 119865119902 ∙ 119907prime

119910 = 0 (2)

v = velocitagrave media assiale del fluido portante W = forza di resistenza al flusso

119872119891= massa del fluido portante β = inclinazione del condotto

A = sezione del condotto e = volume interstiziale di riferimento

119866119891 = peso del fluido portante 119865119877119891 = forza di attrito sulle pareti

p = pressione statica del mezzo portante 119907prime119910 = velocitagrave trasversale del fluido

119866119878 = peso del solido 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

119881119878 = volume del solido ρf = densitagrave del mezzo portante

dp = differenza di pressione tra ingresso e uscita del volume g = accelerazione gravitazionale

(119866119878 minus 119881119878120588119891119892) cos 120573 119908119878 cos 120573

9

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Equazione del moto

Uguagliando la perdita di carico dp nellrsquoequazione (1) e nellrsquoequazione (2) si ottiene lrsquoequazione generale del

moto per il trasporto con inclinazione verso lrsquoalto si ottiene

119882 = 119890 119866119904 sin 120573 + 119865119877119878 + 119872119878 ∙ ൗ119889119888119889119905 minus

1 minus 119890

119890119866119891 sin 120573 + 119865119877119891 + 119872119891 ∙ ൗ119889119907

119889119905 + 119866119878 minus 119881119878120588119891119892 cos2 120573119908119878

119907

sostituendoMasse e pesi

119872119891 = 119890ρ119891V rarr 119866119891 = 119872119891g

119872119878 = 1 minus 119890 ρ119878V rarr 119866119878 = 119872119878g

Accelerazioni

ൗ119889119907119889119905 = ൗ119889119907

119889119897 ∙ ൗ119889119897119889119905 = 119907 ൗ119889119907

119889119897ൗ119889119888

119889119905 = ൗ119889119888119889119897 ∙ ൗ119889119897

119889119905 = 119888 ൗ119889119888119889119897

Resistenza

119882 = 119888119882

120588119891

2(119907 minus 119888) 119907 minus 119888

1205871198891198782

4

119872119878

1205871198891198783

6120588119878

Forze di attrito

119865119877119891 = 119890 λ119891

ρ119891

2

1199072

119889V

119865119877119878 = 1 minus 119890 λ119878

ρ119878

2

1198882

119889119881

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λf = coefficiente di perdita di carico cW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119889+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119889+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119878

119888 1199071198881199001199042120573

Deriva

10

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Equazione della perdita di carico

Uguagliando la resistenza W nellrsquoequazione (1) e nellrsquoequazione (2) si ottiene lrsquoequazione generale di perdita di

carico per il trasporto con inclinazione verso lrsquoalto

minus 119889119901 ∙ 119860 = 119866119891 sin 120573 + 119865119877119891 + 119872119891 ∙ ൗ119889119907119889119905 + 119866119878 minus 119881119878120588119891119892 cos2 120573

119908119878

119907+ 119866119878 ∙ sin 120573 + 119865119877119878 + 119872119878 ∙ ൗ119889119888

119889119905

sostituendo Masse e pesi

119872119891 = 119890ρ119891V rarr 119866119891 = 119872119891g

119872119878 = 1 minus 119890 ρ119878V rarr 119866119878 = 119872119878g

Accelerazioni

ൗ119889119907119889119905 = ൗ119889119907

119889119897 ∙ ൗ119889119897119889119905 = 119907 ൗ119889119907

119889119897ൗ119889119888

119889119905 = ൗ119889119888119889119897 ∙ ൗ119889119897

119889119905 = 119888 ൗ119889119888119889119897

119860 = ൗ119881119889119897

Forze di attrito

119865119877119891 = 119890 λ119891

ρ119891

2

1199072

119889V

119865119877119878 = 1 minus 119890 λ119878

ρ119878

2

1198882

119889119881

Deriva

minus119889119901

119889119897= 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119889+ ρ119891119907

119889119907

119889119897+ (1 minus 119890) ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119878

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ ρ119904119888

119889119888

119889119897

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λf = coefficiente di perdita di carico cW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

11

Equazione del moto

Equazione della perdita di carico

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119889+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119889+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

minus119889119901

119889119897= 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119889+ ρ119891119907

119889119907

119889119897+ (1 minus 119890) ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119878

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ ρ119904119888

119889119888

119889119897

Resistenza Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza di inerzia

del solido

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λfs = coefficiente di perdita di carico fluidosolidocW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

Parametri da determinare λs ds e

Agenda

12

Introduzione al trasporto pneumatico

Sistema di forze che agiscono in un moto in

sospensione fluida

Parametri fondamentali

13

Coefficiente di resistenza di una sfera in funzione dellrsquoindice Res esprime la resistenza di un corpo

in moto in un fluido

119882 = 119888119882 119860119904

120588119891

2(119907 minus 119888) |119907 minus 119888|

W = forza di resistenza

cW = coefficiente di resistenza

As = area di sezione trasversale

del corpo solido

ρf = densitagrave del mezzo portante

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

Res =119889119904 vminusc

ν

Res = numero di Reynolds del solido

ds = diametro del corpo solido

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

ν = viscositagrave cinematica del mezzo

portante

Parametri fondamentali

14

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della sfericitagrave

Le particelle trasportante non sono in genere di forma sferica Un parametro che ne tiene conto egrave la

sfericitagrave Ψ rapporto tra le superfici di una sfera e di una particella aventi lo stesso volume (Ψlt1) Il

coefficiente di resistenza 119888119908 aumenta al diminuire della sfericitagrave Ψ

Parametri fondamentali

15

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della forma dei corpi

Particelle di geometria uguale possono avere diversi coefficienti di resistenza se egrave diversa la forma

degli spigoli In particolare il 119888119908 crescono con la diminuzione dei raggi di curvatura degli spigoli vivi

(angoli piugrave vivi)

Parametri fondamentali

16

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoarrotondamento relativo degli spigoli

Lrsquoandamento del 119888119908 per i corpi bidimensionali cambia con il rapporto tra il raggio di curvatura degli

angoli e lrsquoaltezza dei corpi

Parametri fondamentali

119903119896 = raggio di curvatura degli angoli dei corpi solidi

119889119904= altezza dei corpi

17

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119907 ≫ 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro ≪ 30

119907 gt 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro lt 30

119908119904 gt 119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro asymp 30

119908119904 gt 119907 rarr 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro gt 30

a) Trasporto a volo e rispett in sospensione

trasporto in corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

b) Trasporto a salto trasporto in corrente

rarefatta quasi-stazionaria distribuzione non

omogenea del solido

c) Trasporto a rivoli trasporto in corrente densa

quasi-stazionaria distribuzione non omogenea

del solido

d) Trasporto a dune trasporto in corrente densa

instazionaria distribuzione non omogenea del

solido

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

18

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119908119904gtlt

119907 ≪ 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904gtlt

119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30119889119904 lt 100 micro119898

e) Trasporto a tampone trasporto in

corrente densa instazionaria

f) Trasporto a spinta trasporto in corrente

densa stazionaria distribuzione omogenea

del solido

g) Trasporto a flusso trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria distribuzione del

solido da omogenea a eterogenea

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide 119889119904 = diametro del solido

micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

19

Gli stati del trasporto trasporto verticale

119907 ≫ 1199081199040

micro ≪ 10

119907 gt 1199081199040

micro le 20

a) e b) Trasporto a volo trasporto a

corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

c) Trasporto a palle

passaggio al trasporto

in corrente densa

d) Trasporto a rivoli

trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

Parametri fondamentali

20

Gli stati del trasporto trasporto verticale

e) Trasporto

instazionario a

tampone trasporto

in corrente densa

f) Trasporto

stazionario a

spinta trasporto

in corrente densa

g) Trasporto quasi-

stazionario a flusso

trasporto in corrente

densa

1199081199040lt 119907

ltgt

119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

Parametri fondamentali

21

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina Le rette 1 e 3 indicano il gradiente di pressione per il

flusso attraverso il tubo vuoto e un mucchio bloccato

rispettivamente

bullSe un mucchio non stazionario viene attraversato dal

fluido a velocitagrave crescente il gradiente si sposta verso

3a fino al punto di turbolenza 4 in cui la perdita di

pressione egrave abbastanza grande da portare il mucchio

Se la velocitagrave cresce il peso del mucchio in

turbolenza non cambia ma aumenta la sua

dilatazione e la perdita di carico diminuisce seguendo

la curva 5 fino a raggiungere la velocitagrave di caduta del

singolo grano 1199081199040 2

bullSe il mucchio egrave bloccato con vagli il gradiente passa

il punto 4 in linea retta 3b Sulla retta 3 il volume dello spazio interstiziale egrave Ɛ=1 Il traporto verso lrsquoalto egrave possibile nel campo delimitato

da 1 e 2 5 e 3b (su di essi micro=0)

Nel trasporto a volo e in sospensione (b) il gradiente

di pressione egrave simile a quello della corrente pura (a)

Quando v cala la corrente (b) si smiscela raggiunge

un minimo (c) e sale rapidamente vicino alla velocitagrave

di caduta (d) Nel campo della velocitagrave di caduta si

passa al trasporto instazionario a tampone (e) Se la

soffiante genera sufficiente pressioni a velocitagrave minori

si puograve avere un trasporto a spinta per particelle grosse

(f) o a flusso per particelle piugrave fini (g) con gradienti di

pressione elevati

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 4: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

Introduzione al trasporto pneumatico

4

1 Trasporto pneumatico

in aspirazione (la

soffiante egrave a valle

dellrsquoimpianto)

2 Trasporto pneumatico

in compressione (la

soffiante egrave a monte

dellrsquoimpianto)

3 Trasporto pneumatico

misto

Legenda

C Ciclone separatore

D Dispositivo dosatore

F Filtro

S Soffiante

T Testa aspirante

TR Tramoggia

Agenda

5

Introduzione al trasporto pneumatico

Sistema di forze che agiscono in un moto in

sospensione fluida

Parametri fondamentali

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

6

Forze agenti sulla fase solida

Forze agenti sul fluido portante

c = velocitagrave media assiale del solido

v = velocitagrave media assiale del gas

vrsquoy = componente radiale della velocitagrave di

caduta libera del solido

Ms = massa del materiale da trasportare

Mf = massa del mezzo portante

W = forza di resistenza al flusso

FRs = forza drsquoattrito sul solido

FRf = forza drsquoattrito sul mezzo portante

Fq = forza di sollevamento

e = volume interstiziale di riferimento

p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale

A = sezione dellrsquoelemento di volume

infinitesimo considerato

dl = lunghezza dellrsquoelemento di volume

infinitesimo considerato

d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto

W = forza resistente

WS= velocitagrave di caduta libera del solido

Si considera un volume 119889119881 = 119860 ∙ 119889119897 con angolo di inclinazione β e si impostano per ogni fase i bilanci delle forze

sulla fase solida e sul fluido portante

7

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Bilancio delle forze sulla fase solida

Sulla fase solida di un elemento di volume 119889119881 = 119860 ∙ 119889119897 agiscono

- la forza peso 119866119878

- la forza di inerzia 119872119878 ∙ Τ119889119888119889119905

- la forza premente del fluido portante sulla sezione entrante del volume 1 minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119901

- la forza premente del fluido portante sulla sezione uscente del volume 1 minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119901 + 119889119901 - la resistenza del flusso sulle particelle solide W

- la forza di attrito sulle pareti 119865119877119878

- le forze trasversali del mezzo portante per il trasporto in sospensione 119865119902

Per lo stato di equilibrio in direzione assiale la somma di tutte le forze deve essere nulla

minus 1 minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119889119901 minus 119866119878 ∙ sin 120573 + 119882 minus 119872119878 ∙ ൗ119889119888119889119905 minus 119865119877119878 = 0 (1)

119872119878= massa del solido A = sezione del condotto

e = volume interstiziale di riferimento 119866119878 = peso del solido

β = inclinazione del condotto W = forza di resistenza al flusso

c = velocitagrave media assiale del solido 119865119877119878 = forza di attrito sulle pareti

p = pressione statica del mezzo portante

dp = differenza di pressione tra ingresso e uscita del volume considerato

8

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Bilancio di lavoro sul mezzo portante

Per il mezzo portante sullo stesso volume 119889119881 = 119860 ∙ 119889119897 si esegue un bilancio di potenza in quanto il fluido apporta

energia Sul mezzo portante agiscono

- la forza peso 119866119891

- la forza di inerzia 119872119891 ∙ Τ119889119907119889119905

- la forza di pressione sulla sezione entrante del volume 119890 ∙ 119860 ∙ 119901

- la forza di pressione sulla sezione uscente del volume 119890 ∙ 119860 ∙ 119901 + 119889119901 - la resistenza del solido sul fluido W (opposta rispetto alla resistenza del fluido sul solido)

- la forza di attrito sulle pareti 119865119877119891

- le forze trasversali del mezzo portante per il trasporto in sospensione 119865119902

Il bilancio del lavoro risulta dalla somma dei prodotti delle componenti assiali delle forze elencate e la velocitagrave

assiale portante v

minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119889119901 ∙ 119907 minus 119866119891 ∙ sin 120573 ∙ 119907 minus 119882 ∙ 119907 minus 119872119891 ∙ ൗ119889119907119889119905 ∙ 119907 minus 119865119877119891 ∙ 119907 minus 119865119902 ∙ 119907prime

119910 = 0 (2)

v = velocitagrave media assiale del fluido portante W = forza di resistenza al flusso

119872119891= massa del fluido portante β = inclinazione del condotto

A = sezione del condotto e = volume interstiziale di riferimento

119866119891 = peso del fluido portante 119865119877119891 = forza di attrito sulle pareti

p = pressione statica del mezzo portante 119907prime119910 = velocitagrave trasversale del fluido

119866119878 = peso del solido 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

119881119878 = volume del solido ρf = densitagrave del mezzo portante

dp = differenza di pressione tra ingresso e uscita del volume g = accelerazione gravitazionale

(119866119878 minus 119881119878120588119891119892) cos 120573 119908119878 cos 120573

9

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Equazione del moto

Uguagliando la perdita di carico dp nellrsquoequazione (1) e nellrsquoequazione (2) si ottiene lrsquoequazione generale del

moto per il trasporto con inclinazione verso lrsquoalto si ottiene

119882 = 119890 119866119904 sin 120573 + 119865119877119878 + 119872119878 ∙ ൗ119889119888119889119905 minus

1 minus 119890

119890119866119891 sin 120573 + 119865119877119891 + 119872119891 ∙ ൗ119889119907

119889119905 + 119866119878 minus 119881119878120588119891119892 cos2 120573119908119878

119907

sostituendoMasse e pesi

119872119891 = 119890ρ119891V rarr 119866119891 = 119872119891g

119872119878 = 1 minus 119890 ρ119878V rarr 119866119878 = 119872119878g

Accelerazioni

ൗ119889119907119889119905 = ൗ119889119907

119889119897 ∙ ൗ119889119897119889119905 = 119907 ൗ119889119907

119889119897ൗ119889119888

119889119905 = ൗ119889119888119889119897 ∙ ൗ119889119897

119889119905 = 119888 ൗ119889119888119889119897

Resistenza

119882 = 119888119882

120588119891

2(119907 minus 119888) 119907 minus 119888

1205871198891198782

4

119872119878

1205871198891198783

6120588119878

Forze di attrito

119865119877119891 = 119890 λ119891

ρ119891

2

1199072

119889V

119865119877119878 = 1 minus 119890 λ119878

ρ119878

2

1198882

119889119881

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λf = coefficiente di perdita di carico cW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119889+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119889+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119878

119888 1199071198881199001199042120573

Deriva

10

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Equazione della perdita di carico

Uguagliando la resistenza W nellrsquoequazione (1) e nellrsquoequazione (2) si ottiene lrsquoequazione generale di perdita di

carico per il trasporto con inclinazione verso lrsquoalto

minus 119889119901 ∙ 119860 = 119866119891 sin 120573 + 119865119877119891 + 119872119891 ∙ ൗ119889119907119889119905 + 119866119878 minus 119881119878120588119891119892 cos2 120573

119908119878

119907+ 119866119878 ∙ sin 120573 + 119865119877119878 + 119872119878 ∙ ൗ119889119888

119889119905

sostituendo Masse e pesi

119872119891 = 119890ρ119891V rarr 119866119891 = 119872119891g

119872119878 = 1 minus 119890 ρ119878V rarr 119866119878 = 119872119878g

Accelerazioni

ൗ119889119907119889119905 = ൗ119889119907

119889119897 ∙ ൗ119889119897119889119905 = 119907 ൗ119889119907

119889119897ൗ119889119888

119889119905 = ൗ119889119888119889119897 ∙ ൗ119889119897

119889119905 = 119888 ൗ119889119888119889119897

119860 = ൗ119881119889119897

Forze di attrito

119865119877119891 = 119890 λ119891

ρ119891

2

1199072

119889V

119865119877119878 = 1 minus 119890 λ119878

ρ119878

2

1198882

119889119881

Deriva

minus119889119901

119889119897= 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119889+ ρ119891119907

119889119907

119889119897+ (1 minus 119890) ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119878

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ ρ119904119888

119889119888

119889119897

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λf = coefficiente di perdita di carico cW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

11

Equazione del moto

Equazione della perdita di carico

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119889+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119889+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

minus119889119901

119889119897= 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119889+ ρ119891119907

119889119907

119889119897+ (1 minus 119890) ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119878

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ ρ119904119888

119889119888

119889119897

Resistenza Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza di inerzia

del solido

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λfs = coefficiente di perdita di carico fluidosolidocW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

Parametri da determinare λs ds e

Agenda

12

Introduzione al trasporto pneumatico

Sistema di forze che agiscono in un moto in

sospensione fluida

Parametri fondamentali

13

Coefficiente di resistenza di una sfera in funzione dellrsquoindice Res esprime la resistenza di un corpo

in moto in un fluido

119882 = 119888119882 119860119904

120588119891

2(119907 minus 119888) |119907 minus 119888|

W = forza di resistenza

cW = coefficiente di resistenza

As = area di sezione trasversale

del corpo solido

ρf = densitagrave del mezzo portante

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

Res =119889119904 vminusc

ν

Res = numero di Reynolds del solido

ds = diametro del corpo solido

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

ν = viscositagrave cinematica del mezzo

portante

Parametri fondamentali

14

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della sfericitagrave

Le particelle trasportante non sono in genere di forma sferica Un parametro che ne tiene conto egrave la

sfericitagrave Ψ rapporto tra le superfici di una sfera e di una particella aventi lo stesso volume (Ψlt1) Il

coefficiente di resistenza 119888119908 aumenta al diminuire della sfericitagrave Ψ

Parametri fondamentali

15

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della forma dei corpi

Particelle di geometria uguale possono avere diversi coefficienti di resistenza se egrave diversa la forma

degli spigoli In particolare il 119888119908 crescono con la diminuzione dei raggi di curvatura degli spigoli vivi

(angoli piugrave vivi)

Parametri fondamentali

16

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoarrotondamento relativo degli spigoli

Lrsquoandamento del 119888119908 per i corpi bidimensionali cambia con il rapporto tra il raggio di curvatura degli

angoli e lrsquoaltezza dei corpi

Parametri fondamentali

119903119896 = raggio di curvatura degli angoli dei corpi solidi

119889119904= altezza dei corpi

17

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119907 ≫ 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro ≪ 30

119907 gt 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro lt 30

119908119904 gt 119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro asymp 30

119908119904 gt 119907 rarr 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro gt 30

a) Trasporto a volo e rispett in sospensione

trasporto in corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

b) Trasporto a salto trasporto in corrente

rarefatta quasi-stazionaria distribuzione non

omogenea del solido

c) Trasporto a rivoli trasporto in corrente densa

quasi-stazionaria distribuzione non omogenea

del solido

d) Trasporto a dune trasporto in corrente densa

instazionaria distribuzione non omogenea del

solido

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

18

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119908119904gtlt

119907 ≪ 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904gtlt

119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30119889119904 lt 100 micro119898

e) Trasporto a tampone trasporto in

corrente densa instazionaria

f) Trasporto a spinta trasporto in corrente

densa stazionaria distribuzione omogenea

del solido

g) Trasporto a flusso trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria distribuzione del

solido da omogenea a eterogenea

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide 119889119904 = diametro del solido

micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

19

Gli stati del trasporto trasporto verticale

119907 ≫ 1199081199040

micro ≪ 10

119907 gt 1199081199040

micro le 20

a) e b) Trasporto a volo trasporto a

corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

c) Trasporto a palle

passaggio al trasporto

in corrente densa

d) Trasporto a rivoli

trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

Parametri fondamentali

20

Gli stati del trasporto trasporto verticale

e) Trasporto

instazionario a

tampone trasporto

in corrente densa

f) Trasporto

stazionario a

spinta trasporto

in corrente densa

g) Trasporto quasi-

stazionario a flusso

trasporto in corrente

densa

1199081199040lt 119907

ltgt

119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

Parametri fondamentali

21

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina Le rette 1 e 3 indicano il gradiente di pressione per il

flusso attraverso il tubo vuoto e un mucchio bloccato

rispettivamente

bullSe un mucchio non stazionario viene attraversato dal

fluido a velocitagrave crescente il gradiente si sposta verso

3a fino al punto di turbolenza 4 in cui la perdita di

pressione egrave abbastanza grande da portare il mucchio

Se la velocitagrave cresce il peso del mucchio in

turbolenza non cambia ma aumenta la sua

dilatazione e la perdita di carico diminuisce seguendo

la curva 5 fino a raggiungere la velocitagrave di caduta del

singolo grano 1199081199040 2

bullSe il mucchio egrave bloccato con vagli il gradiente passa

il punto 4 in linea retta 3b Sulla retta 3 il volume dello spazio interstiziale egrave Ɛ=1 Il traporto verso lrsquoalto egrave possibile nel campo delimitato

da 1 e 2 5 e 3b (su di essi micro=0)

Nel trasporto a volo e in sospensione (b) il gradiente

di pressione egrave simile a quello della corrente pura (a)

Quando v cala la corrente (b) si smiscela raggiunge

un minimo (c) e sale rapidamente vicino alla velocitagrave

di caduta (d) Nel campo della velocitagrave di caduta si

passa al trasporto instazionario a tampone (e) Se la

soffiante genera sufficiente pressioni a velocitagrave minori

si puograve avere un trasporto a spinta per particelle grosse

(f) o a flusso per particelle piugrave fini (g) con gradienti di

pressione elevati

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 5: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

Agenda

5

Introduzione al trasporto pneumatico

Sistema di forze che agiscono in un moto in

sospensione fluida

Parametri fondamentali

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

6

Forze agenti sulla fase solida

Forze agenti sul fluido portante

c = velocitagrave media assiale del solido

v = velocitagrave media assiale del gas

vrsquoy = componente radiale della velocitagrave di

caduta libera del solido

Ms = massa del materiale da trasportare

Mf = massa del mezzo portante

W = forza di resistenza al flusso

FRs = forza drsquoattrito sul solido

FRf = forza drsquoattrito sul mezzo portante

Fq = forza di sollevamento

e = volume interstiziale di riferimento

p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale

A = sezione dellrsquoelemento di volume

infinitesimo considerato

dl = lunghezza dellrsquoelemento di volume

infinitesimo considerato

d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto

W = forza resistente

WS= velocitagrave di caduta libera del solido

Si considera un volume 119889119881 = 119860 ∙ 119889119897 con angolo di inclinazione β e si impostano per ogni fase i bilanci delle forze

sulla fase solida e sul fluido portante

7

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Bilancio delle forze sulla fase solida

Sulla fase solida di un elemento di volume 119889119881 = 119860 ∙ 119889119897 agiscono

- la forza peso 119866119878

- la forza di inerzia 119872119878 ∙ Τ119889119888119889119905

- la forza premente del fluido portante sulla sezione entrante del volume 1 minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119901

- la forza premente del fluido portante sulla sezione uscente del volume 1 minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119901 + 119889119901 - la resistenza del flusso sulle particelle solide W

- la forza di attrito sulle pareti 119865119877119878

- le forze trasversali del mezzo portante per il trasporto in sospensione 119865119902

Per lo stato di equilibrio in direzione assiale la somma di tutte le forze deve essere nulla

minus 1 minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119889119901 minus 119866119878 ∙ sin 120573 + 119882 minus 119872119878 ∙ ൗ119889119888119889119905 minus 119865119877119878 = 0 (1)

119872119878= massa del solido A = sezione del condotto

e = volume interstiziale di riferimento 119866119878 = peso del solido

β = inclinazione del condotto W = forza di resistenza al flusso

c = velocitagrave media assiale del solido 119865119877119878 = forza di attrito sulle pareti

p = pressione statica del mezzo portante

dp = differenza di pressione tra ingresso e uscita del volume considerato

8

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Bilancio di lavoro sul mezzo portante

Per il mezzo portante sullo stesso volume 119889119881 = 119860 ∙ 119889119897 si esegue un bilancio di potenza in quanto il fluido apporta

energia Sul mezzo portante agiscono

- la forza peso 119866119891

- la forza di inerzia 119872119891 ∙ Τ119889119907119889119905

- la forza di pressione sulla sezione entrante del volume 119890 ∙ 119860 ∙ 119901

- la forza di pressione sulla sezione uscente del volume 119890 ∙ 119860 ∙ 119901 + 119889119901 - la resistenza del solido sul fluido W (opposta rispetto alla resistenza del fluido sul solido)

- la forza di attrito sulle pareti 119865119877119891

- le forze trasversali del mezzo portante per il trasporto in sospensione 119865119902

Il bilancio del lavoro risulta dalla somma dei prodotti delle componenti assiali delle forze elencate e la velocitagrave

assiale portante v

minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119889119901 ∙ 119907 minus 119866119891 ∙ sin 120573 ∙ 119907 minus 119882 ∙ 119907 minus 119872119891 ∙ ൗ119889119907119889119905 ∙ 119907 minus 119865119877119891 ∙ 119907 minus 119865119902 ∙ 119907prime

119910 = 0 (2)

v = velocitagrave media assiale del fluido portante W = forza di resistenza al flusso

119872119891= massa del fluido portante β = inclinazione del condotto

A = sezione del condotto e = volume interstiziale di riferimento

119866119891 = peso del fluido portante 119865119877119891 = forza di attrito sulle pareti

p = pressione statica del mezzo portante 119907prime119910 = velocitagrave trasversale del fluido

119866119878 = peso del solido 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

119881119878 = volume del solido ρf = densitagrave del mezzo portante

dp = differenza di pressione tra ingresso e uscita del volume g = accelerazione gravitazionale

(119866119878 minus 119881119878120588119891119892) cos 120573 119908119878 cos 120573

9

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Equazione del moto

Uguagliando la perdita di carico dp nellrsquoequazione (1) e nellrsquoequazione (2) si ottiene lrsquoequazione generale del

moto per il trasporto con inclinazione verso lrsquoalto si ottiene

119882 = 119890 119866119904 sin 120573 + 119865119877119878 + 119872119878 ∙ ൗ119889119888119889119905 minus

1 minus 119890

119890119866119891 sin 120573 + 119865119877119891 + 119872119891 ∙ ൗ119889119907

119889119905 + 119866119878 minus 119881119878120588119891119892 cos2 120573119908119878

119907

sostituendoMasse e pesi

119872119891 = 119890ρ119891V rarr 119866119891 = 119872119891g

119872119878 = 1 minus 119890 ρ119878V rarr 119866119878 = 119872119878g

Accelerazioni

ൗ119889119907119889119905 = ൗ119889119907

119889119897 ∙ ൗ119889119897119889119905 = 119907 ൗ119889119907

119889119897ൗ119889119888

119889119905 = ൗ119889119888119889119897 ∙ ൗ119889119897

119889119905 = 119888 ൗ119889119888119889119897

Resistenza

119882 = 119888119882

120588119891

2(119907 minus 119888) 119907 minus 119888

1205871198891198782

4

119872119878

1205871198891198783

6120588119878

Forze di attrito

119865119877119891 = 119890 λ119891

ρ119891

2

1199072

119889V

119865119877119878 = 1 minus 119890 λ119878

ρ119878

2

1198882

119889119881

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λf = coefficiente di perdita di carico cW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119889+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119889+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119878

119888 1199071198881199001199042120573

Deriva

10

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Equazione della perdita di carico

Uguagliando la resistenza W nellrsquoequazione (1) e nellrsquoequazione (2) si ottiene lrsquoequazione generale di perdita di

carico per il trasporto con inclinazione verso lrsquoalto

minus 119889119901 ∙ 119860 = 119866119891 sin 120573 + 119865119877119891 + 119872119891 ∙ ൗ119889119907119889119905 + 119866119878 minus 119881119878120588119891119892 cos2 120573

119908119878

119907+ 119866119878 ∙ sin 120573 + 119865119877119878 + 119872119878 ∙ ൗ119889119888

119889119905

sostituendo Masse e pesi

119872119891 = 119890ρ119891V rarr 119866119891 = 119872119891g

119872119878 = 1 minus 119890 ρ119878V rarr 119866119878 = 119872119878g

Accelerazioni

ൗ119889119907119889119905 = ൗ119889119907

119889119897 ∙ ൗ119889119897119889119905 = 119907 ൗ119889119907

119889119897ൗ119889119888

119889119905 = ൗ119889119888119889119897 ∙ ൗ119889119897

119889119905 = 119888 ൗ119889119888119889119897

119860 = ൗ119881119889119897

Forze di attrito

119865119877119891 = 119890 λ119891

ρ119891

2

1199072

119889V

119865119877119878 = 1 minus 119890 λ119878

ρ119878

2

1198882

119889119881

Deriva

minus119889119901

119889119897= 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119889+ ρ119891119907

119889119907

119889119897+ (1 minus 119890) ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119878

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ ρ119904119888

119889119888

119889119897

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λf = coefficiente di perdita di carico cW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

11

Equazione del moto

Equazione della perdita di carico

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119889+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119889+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

minus119889119901

119889119897= 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119889+ ρ119891119907

119889119907

119889119897+ (1 minus 119890) ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119878

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ ρ119904119888

119889119888

119889119897

Resistenza Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza di inerzia

del solido

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λfs = coefficiente di perdita di carico fluidosolidocW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

Parametri da determinare λs ds e

Agenda

12

Introduzione al trasporto pneumatico

Sistema di forze che agiscono in un moto in

sospensione fluida

Parametri fondamentali

13

Coefficiente di resistenza di una sfera in funzione dellrsquoindice Res esprime la resistenza di un corpo

in moto in un fluido

119882 = 119888119882 119860119904

120588119891

2(119907 minus 119888) |119907 minus 119888|

W = forza di resistenza

cW = coefficiente di resistenza

As = area di sezione trasversale

del corpo solido

ρf = densitagrave del mezzo portante

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

Res =119889119904 vminusc

ν

Res = numero di Reynolds del solido

ds = diametro del corpo solido

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

ν = viscositagrave cinematica del mezzo

portante

Parametri fondamentali

14

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della sfericitagrave

Le particelle trasportante non sono in genere di forma sferica Un parametro che ne tiene conto egrave la

sfericitagrave Ψ rapporto tra le superfici di una sfera e di una particella aventi lo stesso volume (Ψlt1) Il

coefficiente di resistenza 119888119908 aumenta al diminuire della sfericitagrave Ψ

Parametri fondamentali

15

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della forma dei corpi

Particelle di geometria uguale possono avere diversi coefficienti di resistenza se egrave diversa la forma

degli spigoli In particolare il 119888119908 crescono con la diminuzione dei raggi di curvatura degli spigoli vivi

(angoli piugrave vivi)

Parametri fondamentali

16

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoarrotondamento relativo degli spigoli

Lrsquoandamento del 119888119908 per i corpi bidimensionali cambia con il rapporto tra il raggio di curvatura degli

angoli e lrsquoaltezza dei corpi

Parametri fondamentali

119903119896 = raggio di curvatura degli angoli dei corpi solidi

119889119904= altezza dei corpi

17

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119907 ≫ 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro ≪ 30

119907 gt 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro lt 30

119908119904 gt 119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro asymp 30

119908119904 gt 119907 rarr 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro gt 30

a) Trasporto a volo e rispett in sospensione

trasporto in corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

b) Trasporto a salto trasporto in corrente

rarefatta quasi-stazionaria distribuzione non

omogenea del solido

c) Trasporto a rivoli trasporto in corrente densa

quasi-stazionaria distribuzione non omogenea

del solido

d) Trasporto a dune trasporto in corrente densa

instazionaria distribuzione non omogenea del

solido

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

18

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119908119904gtlt

119907 ≪ 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904gtlt

119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30119889119904 lt 100 micro119898

e) Trasporto a tampone trasporto in

corrente densa instazionaria

f) Trasporto a spinta trasporto in corrente

densa stazionaria distribuzione omogenea

del solido

g) Trasporto a flusso trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria distribuzione del

solido da omogenea a eterogenea

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide 119889119904 = diametro del solido

micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

19

Gli stati del trasporto trasporto verticale

119907 ≫ 1199081199040

micro ≪ 10

119907 gt 1199081199040

micro le 20

a) e b) Trasporto a volo trasporto a

corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

c) Trasporto a palle

passaggio al trasporto

in corrente densa

d) Trasporto a rivoli

trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

Parametri fondamentali

20

Gli stati del trasporto trasporto verticale

e) Trasporto

instazionario a

tampone trasporto

in corrente densa

f) Trasporto

stazionario a

spinta trasporto

in corrente densa

g) Trasporto quasi-

stazionario a flusso

trasporto in corrente

densa

1199081199040lt 119907

ltgt

119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

Parametri fondamentali

21

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina Le rette 1 e 3 indicano il gradiente di pressione per il

flusso attraverso il tubo vuoto e un mucchio bloccato

rispettivamente

bullSe un mucchio non stazionario viene attraversato dal

fluido a velocitagrave crescente il gradiente si sposta verso

3a fino al punto di turbolenza 4 in cui la perdita di

pressione egrave abbastanza grande da portare il mucchio

Se la velocitagrave cresce il peso del mucchio in

turbolenza non cambia ma aumenta la sua

dilatazione e la perdita di carico diminuisce seguendo

la curva 5 fino a raggiungere la velocitagrave di caduta del

singolo grano 1199081199040 2

bullSe il mucchio egrave bloccato con vagli il gradiente passa

il punto 4 in linea retta 3b Sulla retta 3 il volume dello spazio interstiziale egrave Ɛ=1 Il traporto verso lrsquoalto egrave possibile nel campo delimitato

da 1 e 2 5 e 3b (su di essi micro=0)

Nel trasporto a volo e in sospensione (b) il gradiente

di pressione egrave simile a quello della corrente pura (a)

Quando v cala la corrente (b) si smiscela raggiunge

un minimo (c) e sale rapidamente vicino alla velocitagrave

di caduta (d) Nel campo della velocitagrave di caduta si

passa al trasporto instazionario a tampone (e) Se la

soffiante genera sufficiente pressioni a velocitagrave minori

si puograve avere un trasporto a spinta per particelle grosse

(f) o a flusso per particelle piugrave fini (g) con gradienti di

pressione elevati

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 6: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

6

Forze agenti sulla fase solida

Forze agenti sul fluido portante

c = velocitagrave media assiale del solido

v = velocitagrave media assiale del gas

vrsquoy = componente radiale della velocitagrave di

caduta libera del solido

Ms = massa del materiale da trasportare

Mf = massa del mezzo portante

W = forza di resistenza al flusso

FRs = forza drsquoattrito sul solido

FRf = forza drsquoattrito sul mezzo portante

Fq = forza di sollevamento

e = volume interstiziale di riferimento

p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale

A = sezione dellrsquoelemento di volume

infinitesimo considerato

dl = lunghezza dellrsquoelemento di volume

infinitesimo considerato

d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto

W = forza resistente

WS= velocitagrave di caduta libera del solido

Si considera un volume 119889119881 = 119860 ∙ 119889119897 con angolo di inclinazione β e si impostano per ogni fase i bilanci delle forze

sulla fase solida e sul fluido portante

7

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Bilancio delle forze sulla fase solida

Sulla fase solida di un elemento di volume 119889119881 = 119860 ∙ 119889119897 agiscono

- la forza peso 119866119878

- la forza di inerzia 119872119878 ∙ Τ119889119888119889119905

- la forza premente del fluido portante sulla sezione entrante del volume 1 minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119901

- la forza premente del fluido portante sulla sezione uscente del volume 1 minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119901 + 119889119901 - la resistenza del flusso sulle particelle solide W

- la forza di attrito sulle pareti 119865119877119878

- le forze trasversali del mezzo portante per il trasporto in sospensione 119865119902

Per lo stato di equilibrio in direzione assiale la somma di tutte le forze deve essere nulla

minus 1 minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119889119901 minus 119866119878 ∙ sin 120573 + 119882 minus 119872119878 ∙ ൗ119889119888119889119905 minus 119865119877119878 = 0 (1)

119872119878= massa del solido A = sezione del condotto

e = volume interstiziale di riferimento 119866119878 = peso del solido

β = inclinazione del condotto W = forza di resistenza al flusso

c = velocitagrave media assiale del solido 119865119877119878 = forza di attrito sulle pareti

p = pressione statica del mezzo portante

dp = differenza di pressione tra ingresso e uscita del volume considerato

8

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Bilancio di lavoro sul mezzo portante

Per il mezzo portante sullo stesso volume 119889119881 = 119860 ∙ 119889119897 si esegue un bilancio di potenza in quanto il fluido apporta

energia Sul mezzo portante agiscono

- la forza peso 119866119891

- la forza di inerzia 119872119891 ∙ Τ119889119907119889119905

- la forza di pressione sulla sezione entrante del volume 119890 ∙ 119860 ∙ 119901

- la forza di pressione sulla sezione uscente del volume 119890 ∙ 119860 ∙ 119901 + 119889119901 - la resistenza del solido sul fluido W (opposta rispetto alla resistenza del fluido sul solido)

- la forza di attrito sulle pareti 119865119877119891

- le forze trasversali del mezzo portante per il trasporto in sospensione 119865119902

Il bilancio del lavoro risulta dalla somma dei prodotti delle componenti assiali delle forze elencate e la velocitagrave

assiale portante v

minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119889119901 ∙ 119907 minus 119866119891 ∙ sin 120573 ∙ 119907 minus 119882 ∙ 119907 minus 119872119891 ∙ ൗ119889119907119889119905 ∙ 119907 minus 119865119877119891 ∙ 119907 minus 119865119902 ∙ 119907prime

119910 = 0 (2)

v = velocitagrave media assiale del fluido portante W = forza di resistenza al flusso

119872119891= massa del fluido portante β = inclinazione del condotto

A = sezione del condotto e = volume interstiziale di riferimento

119866119891 = peso del fluido portante 119865119877119891 = forza di attrito sulle pareti

p = pressione statica del mezzo portante 119907prime119910 = velocitagrave trasversale del fluido

119866119878 = peso del solido 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

119881119878 = volume del solido ρf = densitagrave del mezzo portante

dp = differenza di pressione tra ingresso e uscita del volume g = accelerazione gravitazionale

(119866119878 minus 119881119878120588119891119892) cos 120573 119908119878 cos 120573

9

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Equazione del moto

Uguagliando la perdita di carico dp nellrsquoequazione (1) e nellrsquoequazione (2) si ottiene lrsquoequazione generale del

moto per il trasporto con inclinazione verso lrsquoalto si ottiene

119882 = 119890 119866119904 sin 120573 + 119865119877119878 + 119872119878 ∙ ൗ119889119888119889119905 minus

1 minus 119890

119890119866119891 sin 120573 + 119865119877119891 + 119872119891 ∙ ൗ119889119907

119889119905 + 119866119878 minus 119881119878120588119891119892 cos2 120573119908119878

119907

sostituendoMasse e pesi

119872119891 = 119890ρ119891V rarr 119866119891 = 119872119891g

119872119878 = 1 minus 119890 ρ119878V rarr 119866119878 = 119872119878g

Accelerazioni

ൗ119889119907119889119905 = ൗ119889119907

119889119897 ∙ ൗ119889119897119889119905 = 119907 ൗ119889119907

119889119897ൗ119889119888

119889119905 = ൗ119889119888119889119897 ∙ ൗ119889119897

119889119905 = 119888 ൗ119889119888119889119897

Resistenza

119882 = 119888119882

120588119891

2(119907 minus 119888) 119907 minus 119888

1205871198891198782

4

119872119878

1205871198891198783

6120588119878

Forze di attrito

119865119877119891 = 119890 λ119891

ρ119891

2

1199072

119889V

119865119877119878 = 1 minus 119890 λ119878

ρ119878

2

1198882

119889119881

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λf = coefficiente di perdita di carico cW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119889+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119889+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119878

119888 1199071198881199001199042120573

Deriva

10

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Equazione della perdita di carico

Uguagliando la resistenza W nellrsquoequazione (1) e nellrsquoequazione (2) si ottiene lrsquoequazione generale di perdita di

carico per il trasporto con inclinazione verso lrsquoalto

minus 119889119901 ∙ 119860 = 119866119891 sin 120573 + 119865119877119891 + 119872119891 ∙ ൗ119889119907119889119905 + 119866119878 minus 119881119878120588119891119892 cos2 120573

119908119878

119907+ 119866119878 ∙ sin 120573 + 119865119877119878 + 119872119878 ∙ ൗ119889119888

119889119905

sostituendo Masse e pesi

119872119891 = 119890ρ119891V rarr 119866119891 = 119872119891g

119872119878 = 1 minus 119890 ρ119878V rarr 119866119878 = 119872119878g

Accelerazioni

ൗ119889119907119889119905 = ൗ119889119907

119889119897 ∙ ൗ119889119897119889119905 = 119907 ൗ119889119907

119889119897ൗ119889119888

119889119905 = ൗ119889119888119889119897 ∙ ൗ119889119897

119889119905 = 119888 ൗ119889119888119889119897

119860 = ൗ119881119889119897

Forze di attrito

119865119877119891 = 119890 λ119891

ρ119891

2

1199072

119889V

119865119877119878 = 1 minus 119890 λ119878

ρ119878

2

1198882

119889119881

Deriva

minus119889119901

119889119897= 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119889+ ρ119891119907

119889119907

119889119897+ (1 minus 119890) ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119878

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ ρ119904119888

119889119888

119889119897

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λf = coefficiente di perdita di carico cW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

11

Equazione del moto

Equazione della perdita di carico

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119889+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119889+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

minus119889119901

119889119897= 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119889+ ρ119891119907

119889119907

119889119897+ (1 minus 119890) ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119878

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ ρ119904119888

119889119888

119889119897

Resistenza Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza di inerzia

del solido

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λfs = coefficiente di perdita di carico fluidosolidocW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

Parametri da determinare λs ds e

Agenda

12

Introduzione al trasporto pneumatico

Sistema di forze che agiscono in un moto in

sospensione fluida

Parametri fondamentali

13

Coefficiente di resistenza di una sfera in funzione dellrsquoindice Res esprime la resistenza di un corpo

in moto in un fluido

119882 = 119888119882 119860119904

120588119891

2(119907 minus 119888) |119907 minus 119888|

W = forza di resistenza

cW = coefficiente di resistenza

As = area di sezione trasversale

del corpo solido

ρf = densitagrave del mezzo portante

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

Res =119889119904 vminusc

ν

Res = numero di Reynolds del solido

ds = diametro del corpo solido

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

ν = viscositagrave cinematica del mezzo

portante

Parametri fondamentali

14

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della sfericitagrave

Le particelle trasportante non sono in genere di forma sferica Un parametro che ne tiene conto egrave la

sfericitagrave Ψ rapporto tra le superfici di una sfera e di una particella aventi lo stesso volume (Ψlt1) Il

coefficiente di resistenza 119888119908 aumenta al diminuire della sfericitagrave Ψ

Parametri fondamentali

15

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della forma dei corpi

Particelle di geometria uguale possono avere diversi coefficienti di resistenza se egrave diversa la forma

degli spigoli In particolare il 119888119908 crescono con la diminuzione dei raggi di curvatura degli spigoli vivi

(angoli piugrave vivi)

Parametri fondamentali

16

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoarrotondamento relativo degli spigoli

Lrsquoandamento del 119888119908 per i corpi bidimensionali cambia con il rapporto tra il raggio di curvatura degli

angoli e lrsquoaltezza dei corpi

Parametri fondamentali

119903119896 = raggio di curvatura degli angoli dei corpi solidi

119889119904= altezza dei corpi

17

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119907 ≫ 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro ≪ 30

119907 gt 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro lt 30

119908119904 gt 119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro asymp 30

119908119904 gt 119907 rarr 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro gt 30

a) Trasporto a volo e rispett in sospensione

trasporto in corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

b) Trasporto a salto trasporto in corrente

rarefatta quasi-stazionaria distribuzione non

omogenea del solido

c) Trasporto a rivoli trasporto in corrente densa

quasi-stazionaria distribuzione non omogenea

del solido

d) Trasporto a dune trasporto in corrente densa

instazionaria distribuzione non omogenea del

solido

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

18

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119908119904gtlt

119907 ≪ 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904gtlt

119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30119889119904 lt 100 micro119898

e) Trasporto a tampone trasporto in

corrente densa instazionaria

f) Trasporto a spinta trasporto in corrente

densa stazionaria distribuzione omogenea

del solido

g) Trasporto a flusso trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria distribuzione del

solido da omogenea a eterogenea

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide 119889119904 = diametro del solido

micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

19

Gli stati del trasporto trasporto verticale

119907 ≫ 1199081199040

micro ≪ 10

119907 gt 1199081199040

micro le 20

a) e b) Trasporto a volo trasporto a

corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

c) Trasporto a palle

passaggio al trasporto

in corrente densa

d) Trasporto a rivoli

trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

Parametri fondamentali

20

Gli stati del trasporto trasporto verticale

e) Trasporto

instazionario a

tampone trasporto

in corrente densa

f) Trasporto

stazionario a

spinta trasporto

in corrente densa

g) Trasporto quasi-

stazionario a flusso

trasporto in corrente

densa

1199081199040lt 119907

ltgt

119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

Parametri fondamentali

21

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina Le rette 1 e 3 indicano il gradiente di pressione per il

flusso attraverso il tubo vuoto e un mucchio bloccato

rispettivamente

bullSe un mucchio non stazionario viene attraversato dal

fluido a velocitagrave crescente il gradiente si sposta verso

3a fino al punto di turbolenza 4 in cui la perdita di

pressione egrave abbastanza grande da portare il mucchio

Se la velocitagrave cresce il peso del mucchio in

turbolenza non cambia ma aumenta la sua

dilatazione e la perdita di carico diminuisce seguendo

la curva 5 fino a raggiungere la velocitagrave di caduta del

singolo grano 1199081199040 2

bullSe il mucchio egrave bloccato con vagli il gradiente passa

il punto 4 in linea retta 3b Sulla retta 3 il volume dello spazio interstiziale egrave Ɛ=1 Il traporto verso lrsquoalto egrave possibile nel campo delimitato

da 1 e 2 5 e 3b (su di essi micro=0)

Nel trasporto a volo e in sospensione (b) il gradiente

di pressione egrave simile a quello della corrente pura (a)

Quando v cala la corrente (b) si smiscela raggiunge

un minimo (c) e sale rapidamente vicino alla velocitagrave

di caduta (d) Nel campo della velocitagrave di caduta si

passa al trasporto instazionario a tampone (e) Se la

soffiante genera sufficiente pressioni a velocitagrave minori

si puograve avere un trasporto a spinta per particelle grosse

(f) o a flusso per particelle piugrave fini (g) con gradienti di

pressione elevati

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 7: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

7

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Bilancio delle forze sulla fase solida

Sulla fase solida di un elemento di volume 119889119881 = 119860 ∙ 119889119897 agiscono

- la forza peso 119866119878

- la forza di inerzia 119872119878 ∙ Τ119889119888119889119905

- la forza premente del fluido portante sulla sezione entrante del volume 1 minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119901

- la forza premente del fluido portante sulla sezione uscente del volume 1 minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119901 + 119889119901 - la resistenza del flusso sulle particelle solide W

- la forza di attrito sulle pareti 119865119877119878

- le forze trasversali del mezzo portante per il trasporto in sospensione 119865119902

Per lo stato di equilibrio in direzione assiale la somma di tutte le forze deve essere nulla

minus 1 minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119889119901 minus 119866119878 ∙ sin 120573 + 119882 minus 119872119878 ∙ ൗ119889119888119889119905 minus 119865119877119878 = 0 (1)

119872119878= massa del solido A = sezione del condotto

e = volume interstiziale di riferimento 119866119878 = peso del solido

β = inclinazione del condotto W = forza di resistenza al flusso

c = velocitagrave media assiale del solido 119865119877119878 = forza di attrito sulle pareti

p = pressione statica del mezzo portante

dp = differenza di pressione tra ingresso e uscita del volume considerato

8

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Bilancio di lavoro sul mezzo portante

Per il mezzo portante sullo stesso volume 119889119881 = 119860 ∙ 119889119897 si esegue un bilancio di potenza in quanto il fluido apporta

energia Sul mezzo portante agiscono

- la forza peso 119866119891

- la forza di inerzia 119872119891 ∙ Τ119889119907119889119905

- la forza di pressione sulla sezione entrante del volume 119890 ∙ 119860 ∙ 119901

- la forza di pressione sulla sezione uscente del volume 119890 ∙ 119860 ∙ 119901 + 119889119901 - la resistenza del solido sul fluido W (opposta rispetto alla resistenza del fluido sul solido)

- la forza di attrito sulle pareti 119865119877119891

- le forze trasversali del mezzo portante per il trasporto in sospensione 119865119902

Il bilancio del lavoro risulta dalla somma dei prodotti delle componenti assiali delle forze elencate e la velocitagrave

assiale portante v

minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119889119901 ∙ 119907 minus 119866119891 ∙ sin 120573 ∙ 119907 minus 119882 ∙ 119907 minus 119872119891 ∙ ൗ119889119907119889119905 ∙ 119907 minus 119865119877119891 ∙ 119907 minus 119865119902 ∙ 119907prime

119910 = 0 (2)

v = velocitagrave media assiale del fluido portante W = forza di resistenza al flusso

119872119891= massa del fluido portante β = inclinazione del condotto

A = sezione del condotto e = volume interstiziale di riferimento

119866119891 = peso del fluido portante 119865119877119891 = forza di attrito sulle pareti

p = pressione statica del mezzo portante 119907prime119910 = velocitagrave trasversale del fluido

119866119878 = peso del solido 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

119881119878 = volume del solido ρf = densitagrave del mezzo portante

dp = differenza di pressione tra ingresso e uscita del volume g = accelerazione gravitazionale

(119866119878 minus 119881119878120588119891119892) cos 120573 119908119878 cos 120573

9

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Equazione del moto

Uguagliando la perdita di carico dp nellrsquoequazione (1) e nellrsquoequazione (2) si ottiene lrsquoequazione generale del

moto per il trasporto con inclinazione verso lrsquoalto si ottiene

119882 = 119890 119866119904 sin 120573 + 119865119877119878 + 119872119878 ∙ ൗ119889119888119889119905 minus

1 minus 119890

119890119866119891 sin 120573 + 119865119877119891 + 119872119891 ∙ ൗ119889119907

119889119905 + 119866119878 minus 119881119878120588119891119892 cos2 120573119908119878

119907

sostituendoMasse e pesi

119872119891 = 119890ρ119891V rarr 119866119891 = 119872119891g

119872119878 = 1 minus 119890 ρ119878V rarr 119866119878 = 119872119878g

Accelerazioni

ൗ119889119907119889119905 = ൗ119889119907

119889119897 ∙ ൗ119889119897119889119905 = 119907 ൗ119889119907

119889119897ൗ119889119888

119889119905 = ൗ119889119888119889119897 ∙ ൗ119889119897

119889119905 = 119888 ൗ119889119888119889119897

Resistenza

119882 = 119888119882

120588119891

2(119907 minus 119888) 119907 minus 119888

1205871198891198782

4

119872119878

1205871198891198783

6120588119878

Forze di attrito

119865119877119891 = 119890 λ119891

ρ119891

2

1199072

119889V

119865119877119878 = 1 minus 119890 λ119878

ρ119878

2

1198882

119889119881

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λf = coefficiente di perdita di carico cW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119889+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119889+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119878

119888 1199071198881199001199042120573

Deriva

10

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Equazione della perdita di carico

Uguagliando la resistenza W nellrsquoequazione (1) e nellrsquoequazione (2) si ottiene lrsquoequazione generale di perdita di

carico per il trasporto con inclinazione verso lrsquoalto

minus 119889119901 ∙ 119860 = 119866119891 sin 120573 + 119865119877119891 + 119872119891 ∙ ൗ119889119907119889119905 + 119866119878 minus 119881119878120588119891119892 cos2 120573

119908119878

119907+ 119866119878 ∙ sin 120573 + 119865119877119878 + 119872119878 ∙ ൗ119889119888

119889119905

sostituendo Masse e pesi

119872119891 = 119890ρ119891V rarr 119866119891 = 119872119891g

119872119878 = 1 minus 119890 ρ119878V rarr 119866119878 = 119872119878g

Accelerazioni

ൗ119889119907119889119905 = ൗ119889119907

119889119897 ∙ ൗ119889119897119889119905 = 119907 ൗ119889119907

119889119897ൗ119889119888

119889119905 = ൗ119889119888119889119897 ∙ ൗ119889119897

119889119905 = 119888 ൗ119889119888119889119897

119860 = ൗ119881119889119897

Forze di attrito

119865119877119891 = 119890 λ119891

ρ119891

2

1199072

119889V

119865119877119878 = 1 minus 119890 λ119878

ρ119878

2

1198882

119889119881

Deriva

minus119889119901

119889119897= 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119889+ ρ119891119907

119889119907

119889119897+ (1 minus 119890) ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119878

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ ρ119904119888

119889119888

119889119897

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λf = coefficiente di perdita di carico cW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

11

Equazione del moto

Equazione della perdita di carico

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119889+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119889+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

minus119889119901

119889119897= 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119889+ ρ119891119907

119889119907

119889119897+ (1 minus 119890) ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119878

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ ρ119904119888

119889119888

119889119897

Resistenza Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza di inerzia

del solido

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λfs = coefficiente di perdita di carico fluidosolidocW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

Parametri da determinare λs ds e

Agenda

12

Introduzione al trasporto pneumatico

Sistema di forze che agiscono in un moto in

sospensione fluida

Parametri fondamentali

13

Coefficiente di resistenza di una sfera in funzione dellrsquoindice Res esprime la resistenza di un corpo

in moto in un fluido

119882 = 119888119882 119860119904

120588119891

2(119907 minus 119888) |119907 minus 119888|

W = forza di resistenza

cW = coefficiente di resistenza

As = area di sezione trasversale

del corpo solido

ρf = densitagrave del mezzo portante

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

Res =119889119904 vminusc

ν

Res = numero di Reynolds del solido

ds = diametro del corpo solido

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

ν = viscositagrave cinematica del mezzo

portante

Parametri fondamentali

14

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della sfericitagrave

Le particelle trasportante non sono in genere di forma sferica Un parametro che ne tiene conto egrave la

sfericitagrave Ψ rapporto tra le superfici di una sfera e di una particella aventi lo stesso volume (Ψlt1) Il

coefficiente di resistenza 119888119908 aumenta al diminuire della sfericitagrave Ψ

Parametri fondamentali

15

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della forma dei corpi

Particelle di geometria uguale possono avere diversi coefficienti di resistenza se egrave diversa la forma

degli spigoli In particolare il 119888119908 crescono con la diminuzione dei raggi di curvatura degli spigoli vivi

(angoli piugrave vivi)

Parametri fondamentali

16

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoarrotondamento relativo degli spigoli

Lrsquoandamento del 119888119908 per i corpi bidimensionali cambia con il rapporto tra il raggio di curvatura degli

angoli e lrsquoaltezza dei corpi

Parametri fondamentali

119903119896 = raggio di curvatura degli angoli dei corpi solidi

119889119904= altezza dei corpi

17

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119907 ≫ 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro ≪ 30

119907 gt 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro lt 30

119908119904 gt 119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro asymp 30

119908119904 gt 119907 rarr 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro gt 30

a) Trasporto a volo e rispett in sospensione

trasporto in corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

b) Trasporto a salto trasporto in corrente

rarefatta quasi-stazionaria distribuzione non

omogenea del solido

c) Trasporto a rivoli trasporto in corrente densa

quasi-stazionaria distribuzione non omogenea

del solido

d) Trasporto a dune trasporto in corrente densa

instazionaria distribuzione non omogenea del

solido

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

18

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119908119904gtlt

119907 ≪ 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904gtlt

119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30119889119904 lt 100 micro119898

e) Trasporto a tampone trasporto in

corrente densa instazionaria

f) Trasporto a spinta trasporto in corrente

densa stazionaria distribuzione omogenea

del solido

g) Trasporto a flusso trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria distribuzione del

solido da omogenea a eterogenea

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide 119889119904 = diametro del solido

micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

19

Gli stati del trasporto trasporto verticale

119907 ≫ 1199081199040

micro ≪ 10

119907 gt 1199081199040

micro le 20

a) e b) Trasporto a volo trasporto a

corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

c) Trasporto a palle

passaggio al trasporto

in corrente densa

d) Trasporto a rivoli

trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

Parametri fondamentali

20

Gli stati del trasporto trasporto verticale

e) Trasporto

instazionario a

tampone trasporto

in corrente densa

f) Trasporto

stazionario a

spinta trasporto

in corrente densa

g) Trasporto quasi-

stazionario a flusso

trasporto in corrente

densa

1199081199040lt 119907

ltgt

119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

Parametri fondamentali

21

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina Le rette 1 e 3 indicano il gradiente di pressione per il

flusso attraverso il tubo vuoto e un mucchio bloccato

rispettivamente

bullSe un mucchio non stazionario viene attraversato dal

fluido a velocitagrave crescente il gradiente si sposta verso

3a fino al punto di turbolenza 4 in cui la perdita di

pressione egrave abbastanza grande da portare il mucchio

Se la velocitagrave cresce il peso del mucchio in

turbolenza non cambia ma aumenta la sua

dilatazione e la perdita di carico diminuisce seguendo

la curva 5 fino a raggiungere la velocitagrave di caduta del

singolo grano 1199081199040 2

bullSe il mucchio egrave bloccato con vagli il gradiente passa

il punto 4 in linea retta 3b Sulla retta 3 il volume dello spazio interstiziale egrave Ɛ=1 Il traporto verso lrsquoalto egrave possibile nel campo delimitato

da 1 e 2 5 e 3b (su di essi micro=0)

Nel trasporto a volo e in sospensione (b) il gradiente

di pressione egrave simile a quello della corrente pura (a)

Quando v cala la corrente (b) si smiscela raggiunge

un minimo (c) e sale rapidamente vicino alla velocitagrave

di caduta (d) Nel campo della velocitagrave di caduta si

passa al trasporto instazionario a tampone (e) Se la

soffiante genera sufficiente pressioni a velocitagrave minori

si puograve avere un trasporto a spinta per particelle grosse

(f) o a flusso per particelle piugrave fini (g) con gradienti di

pressione elevati

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 8: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

8

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Bilancio di lavoro sul mezzo portante

Per il mezzo portante sullo stesso volume 119889119881 = 119860 ∙ 119889119897 si esegue un bilancio di potenza in quanto il fluido apporta

energia Sul mezzo portante agiscono

- la forza peso 119866119891

- la forza di inerzia 119872119891 ∙ Τ119889119907119889119905

- la forza di pressione sulla sezione entrante del volume 119890 ∙ 119860 ∙ 119901

- la forza di pressione sulla sezione uscente del volume 119890 ∙ 119860 ∙ 119901 + 119889119901 - la resistenza del solido sul fluido W (opposta rispetto alla resistenza del fluido sul solido)

- la forza di attrito sulle pareti 119865119877119891

- le forze trasversali del mezzo portante per il trasporto in sospensione 119865119902

Il bilancio del lavoro risulta dalla somma dei prodotti delle componenti assiali delle forze elencate e la velocitagrave

assiale portante v

minus 119890 ∙ 119860 ∙ 119889119901 ∙ 119907 minus 119866119891 ∙ sin 120573 ∙ 119907 minus 119882 ∙ 119907 minus 119872119891 ∙ ൗ119889119907119889119905 ∙ 119907 minus 119865119877119891 ∙ 119907 minus 119865119902 ∙ 119907prime

119910 = 0 (2)

v = velocitagrave media assiale del fluido portante W = forza di resistenza al flusso

119872119891= massa del fluido portante β = inclinazione del condotto

A = sezione del condotto e = volume interstiziale di riferimento

119866119891 = peso del fluido portante 119865119877119891 = forza di attrito sulle pareti

p = pressione statica del mezzo portante 119907prime119910 = velocitagrave trasversale del fluido

119866119878 = peso del solido 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

119881119878 = volume del solido ρf = densitagrave del mezzo portante

dp = differenza di pressione tra ingresso e uscita del volume g = accelerazione gravitazionale

(119866119878 minus 119881119878120588119891119892) cos 120573 119908119878 cos 120573

9

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Equazione del moto

Uguagliando la perdita di carico dp nellrsquoequazione (1) e nellrsquoequazione (2) si ottiene lrsquoequazione generale del

moto per il trasporto con inclinazione verso lrsquoalto si ottiene

119882 = 119890 119866119904 sin 120573 + 119865119877119878 + 119872119878 ∙ ൗ119889119888119889119905 minus

1 minus 119890

119890119866119891 sin 120573 + 119865119877119891 + 119872119891 ∙ ൗ119889119907

119889119905 + 119866119878 minus 119881119878120588119891119892 cos2 120573119908119878

119907

sostituendoMasse e pesi

119872119891 = 119890ρ119891V rarr 119866119891 = 119872119891g

119872119878 = 1 minus 119890 ρ119878V rarr 119866119878 = 119872119878g

Accelerazioni

ൗ119889119907119889119905 = ൗ119889119907

119889119897 ∙ ൗ119889119897119889119905 = 119907 ൗ119889119907

119889119897ൗ119889119888

119889119905 = ൗ119889119888119889119897 ∙ ൗ119889119897

119889119905 = 119888 ൗ119889119888119889119897

Resistenza

119882 = 119888119882

120588119891

2(119907 minus 119888) 119907 minus 119888

1205871198891198782

4

119872119878

1205871198891198783

6120588119878

Forze di attrito

119865119877119891 = 119890 λ119891

ρ119891

2

1199072

119889V

119865119877119878 = 1 minus 119890 λ119878

ρ119878

2

1198882

119889119881

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λf = coefficiente di perdita di carico cW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119889+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119889+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119878

119888 1199071198881199001199042120573

Deriva

10

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Equazione della perdita di carico

Uguagliando la resistenza W nellrsquoequazione (1) e nellrsquoequazione (2) si ottiene lrsquoequazione generale di perdita di

carico per il trasporto con inclinazione verso lrsquoalto

minus 119889119901 ∙ 119860 = 119866119891 sin 120573 + 119865119877119891 + 119872119891 ∙ ൗ119889119907119889119905 + 119866119878 minus 119881119878120588119891119892 cos2 120573

119908119878

119907+ 119866119878 ∙ sin 120573 + 119865119877119878 + 119872119878 ∙ ൗ119889119888

119889119905

sostituendo Masse e pesi

119872119891 = 119890ρ119891V rarr 119866119891 = 119872119891g

119872119878 = 1 minus 119890 ρ119878V rarr 119866119878 = 119872119878g

Accelerazioni

ൗ119889119907119889119905 = ൗ119889119907

119889119897 ∙ ൗ119889119897119889119905 = 119907 ൗ119889119907

119889119897ൗ119889119888

119889119905 = ൗ119889119888119889119897 ∙ ൗ119889119897

119889119905 = 119888 ൗ119889119888119889119897

119860 = ൗ119881119889119897

Forze di attrito

119865119877119891 = 119890 λ119891

ρ119891

2

1199072

119889V

119865119877119878 = 1 minus 119890 λ119878

ρ119878

2

1198882

119889119881

Deriva

minus119889119901

119889119897= 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119889+ ρ119891119907

119889119907

119889119897+ (1 minus 119890) ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119878

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ ρ119904119888

119889119888

119889119897

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λf = coefficiente di perdita di carico cW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

11

Equazione del moto

Equazione della perdita di carico

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119889+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119889+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

minus119889119901

119889119897= 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119889+ ρ119891119907

119889119907

119889119897+ (1 minus 119890) ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119878

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ ρ119904119888

119889119888

119889119897

Resistenza Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza di inerzia

del solido

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λfs = coefficiente di perdita di carico fluidosolidocW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

Parametri da determinare λs ds e

Agenda

12

Introduzione al trasporto pneumatico

Sistema di forze che agiscono in un moto in

sospensione fluida

Parametri fondamentali

13

Coefficiente di resistenza di una sfera in funzione dellrsquoindice Res esprime la resistenza di un corpo

in moto in un fluido

119882 = 119888119882 119860119904

120588119891

2(119907 minus 119888) |119907 minus 119888|

W = forza di resistenza

cW = coefficiente di resistenza

As = area di sezione trasversale

del corpo solido

ρf = densitagrave del mezzo portante

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

Res =119889119904 vminusc

ν

Res = numero di Reynolds del solido

ds = diametro del corpo solido

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

ν = viscositagrave cinematica del mezzo

portante

Parametri fondamentali

14

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della sfericitagrave

Le particelle trasportante non sono in genere di forma sferica Un parametro che ne tiene conto egrave la

sfericitagrave Ψ rapporto tra le superfici di una sfera e di una particella aventi lo stesso volume (Ψlt1) Il

coefficiente di resistenza 119888119908 aumenta al diminuire della sfericitagrave Ψ

Parametri fondamentali

15

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della forma dei corpi

Particelle di geometria uguale possono avere diversi coefficienti di resistenza se egrave diversa la forma

degli spigoli In particolare il 119888119908 crescono con la diminuzione dei raggi di curvatura degli spigoli vivi

(angoli piugrave vivi)

Parametri fondamentali

16

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoarrotondamento relativo degli spigoli

Lrsquoandamento del 119888119908 per i corpi bidimensionali cambia con il rapporto tra il raggio di curvatura degli

angoli e lrsquoaltezza dei corpi

Parametri fondamentali

119903119896 = raggio di curvatura degli angoli dei corpi solidi

119889119904= altezza dei corpi

17

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119907 ≫ 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro ≪ 30

119907 gt 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro lt 30

119908119904 gt 119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro asymp 30

119908119904 gt 119907 rarr 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro gt 30

a) Trasporto a volo e rispett in sospensione

trasporto in corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

b) Trasporto a salto trasporto in corrente

rarefatta quasi-stazionaria distribuzione non

omogenea del solido

c) Trasporto a rivoli trasporto in corrente densa

quasi-stazionaria distribuzione non omogenea

del solido

d) Trasporto a dune trasporto in corrente densa

instazionaria distribuzione non omogenea del

solido

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

18

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119908119904gtlt

119907 ≪ 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904gtlt

119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30119889119904 lt 100 micro119898

e) Trasporto a tampone trasporto in

corrente densa instazionaria

f) Trasporto a spinta trasporto in corrente

densa stazionaria distribuzione omogenea

del solido

g) Trasporto a flusso trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria distribuzione del

solido da omogenea a eterogenea

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide 119889119904 = diametro del solido

micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

19

Gli stati del trasporto trasporto verticale

119907 ≫ 1199081199040

micro ≪ 10

119907 gt 1199081199040

micro le 20

a) e b) Trasporto a volo trasporto a

corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

c) Trasporto a palle

passaggio al trasporto

in corrente densa

d) Trasporto a rivoli

trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

Parametri fondamentali

20

Gli stati del trasporto trasporto verticale

e) Trasporto

instazionario a

tampone trasporto

in corrente densa

f) Trasporto

stazionario a

spinta trasporto

in corrente densa

g) Trasporto quasi-

stazionario a flusso

trasporto in corrente

densa

1199081199040lt 119907

ltgt

119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

Parametri fondamentali

21

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina Le rette 1 e 3 indicano il gradiente di pressione per il

flusso attraverso il tubo vuoto e un mucchio bloccato

rispettivamente

bullSe un mucchio non stazionario viene attraversato dal

fluido a velocitagrave crescente il gradiente si sposta verso

3a fino al punto di turbolenza 4 in cui la perdita di

pressione egrave abbastanza grande da portare il mucchio

Se la velocitagrave cresce il peso del mucchio in

turbolenza non cambia ma aumenta la sua

dilatazione e la perdita di carico diminuisce seguendo

la curva 5 fino a raggiungere la velocitagrave di caduta del

singolo grano 1199081199040 2

bullSe il mucchio egrave bloccato con vagli il gradiente passa

il punto 4 in linea retta 3b Sulla retta 3 il volume dello spazio interstiziale egrave Ɛ=1 Il traporto verso lrsquoalto egrave possibile nel campo delimitato

da 1 e 2 5 e 3b (su di essi micro=0)

Nel trasporto a volo e in sospensione (b) il gradiente

di pressione egrave simile a quello della corrente pura (a)

Quando v cala la corrente (b) si smiscela raggiunge

un minimo (c) e sale rapidamente vicino alla velocitagrave

di caduta (d) Nel campo della velocitagrave di caduta si

passa al trasporto instazionario a tampone (e) Se la

soffiante genera sufficiente pressioni a velocitagrave minori

si puograve avere un trasporto a spinta per particelle grosse

(f) o a flusso per particelle piugrave fini (g) con gradienti di

pressione elevati

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 9: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

9

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Equazione del moto

Uguagliando la perdita di carico dp nellrsquoequazione (1) e nellrsquoequazione (2) si ottiene lrsquoequazione generale del

moto per il trasporto con inclinazione verso lrsquoalto si ottiene

119882 = 119890 119866119904 sin 120573 + 119865119877119878 + 119872119878 ∙ ൗ119889119888119889119905 minus

1 minus 119890

119890119866119891 sin 120573 + 119865119877119891 + 119872119891 ∙ ൗ119889119907

119889119905 + 119866119878 minus 119881119878120588119891119892 cos2 120573119908119878

119907

sostituendoMasse e pesi

119872119891 = 119890ρ119891V rarr 119866119891 = 119872119891g

119872119878 = 1 minus 119890 ρ119878V rarr 119866119878 = 119872119878g

Accelerazioni

ൗ119889119907119889119905 = ൗ119889119907

119889119897 ∙ ൗ119889119897119889119905 = 119907 ൗ119889119907

119889119897ൗ119889119888

119889119905 = ൗ119889119888119889119897 ∙ ൗ119889119897

119889119905 = 119888 ൗ119889119888119889119897

Resistenza

119882 = 119888119882

120588119891

2(119907 minus 119888) 119907 minus 119888

1205871198891198782

4

119872119878

1205871198891198783

6120588119878

Forze di attrito

119865119877119891 = 119890 λ119891

ρ119891

2

1199072

119889V

119865119877119878 = 1 minus 119890 λ119878

ρ119878

2

1198882

119889119881

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λf = coefficiente di perdita di carico cW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119889+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119889+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119878

119888 1199071198881199001199042120573

Deriva

10

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Equazione della perdita di carico

Uguagliando la resistenza W nellrsquoequazione (1) e nellrsquoequazione (2) si ottiene lrsquoequazione generale di perdita di

carico per il trasporto con inclinazione verso lrsquoalto

minus 119889119901 ∙ 119860 = 119866119891 sin 120573 + 119865119877119891 + 119872119891 ∙ ൗ119889119907119889119905 + 119866119878 minus 119881119878120588119891119892 cos2 120573

119908119878

119907+ 119866119878 ∙ sin 120573 + 119865119877119878 + 119872119878 ∙ ൗ119889119888

119889119905

sostituendo Masse e pesi

119872119891 = 119890ρ119891V rarr 119866119891 = 119872119891g

119872119878 = 1 minus 119890 ρ119878V rarr 119866119878 = 119872119878g

Accelerazioni

ൗ119889119907119889119905 = ൗ119889119907

119889119897 ∙ ൗ119889119897119889119905 = 119907 ൗ119889119907

119889119897ൗ119889119888

119889119905 = ൗ119889119888119889119897 ∙ ൗ119889119897

119889119905 = 119888 ൗ119889119888119889119897

119860 = ൗ119881119889119897

Forze di attrito

119865119877119891 = 119890 λ119891

ρ119891

2

1199072

119889V

119865119877119878 = 1 minus 119890 λ119878

ρ119878

2

1198882

119889119881

Deriva

minus119889119901

119889119897= 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119889+ ρ119891119907

119889119907

119889119897+ (1 minus 119890) ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119878

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ ρ119904119888

119889119888

119889119897

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λf = coefficiente di perdita di carico cW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

11

Equazione del moto

Equazione della perdita di carico

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119889+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119889+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

minus119889119901

119889119897= 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119889+ ρ119891119907

119889119907

119889119897+ (1 minus 119890) ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119878

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ ρ119904119888

119889119888

119889119897

Resistenza Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza di inerzia

del solido

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λfs = coefficiente di perdita di carico fluidosolidocW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

Parametri da determinare λs ds e

Agenda

12

Introduzione al trasporto pneumatico

Sistema di forze che agiscono in un moto in

sospensione fluida

Parametri fondamentali

13

Coefficiente di resistenza di una sfera in funzione dellrsquoindice Res esprime la resistenza di un corpo

in moto in un fluido

119882 = 119888119882 119860119904

120588119891

2(119907 minus 119888) |119907 minus 119888|

W = forza di resistenza

cW = coefficiente di resistenza

As = area di sezione trasversale

del corpo solido

ρf = densitagrave del mezzo portante

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

Res =119889119904 vminusc

ν

Res = numero di Reynolds del solido

ds = diametro del corpo solido

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

ν = viscositagrave cinematica del mezzo

portante

Parametri fondamentali

14

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della sfericitagrave

Le particelle trasportante non sono in genere di forma sferica Un parametro che ne tiene conto egrave la

sfericitagrave Ψ rapporto tra le superfici di una sfera e di una particella aventi lo stesso volume (Ψlt1) Il

coefficiente di resistenza 119888119908 aumenta al diminuire della sfericitagrave Ψ

Parametri fondamentali

15

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della forma dei corpi

Particelle di geometria uguale possono avere diversi coefficienti di resistenza se egrave diversa la forma

degli spigoli In particolare il 119888119908 crescono con la diminuzione dei raggi di curvatura degli spigoli vivi

(angoli piugrave vivi)

Parametri fondamentali

16

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoarrotondamento relativo degli spigoli

Lrsquoandamento del 119888119908 per i corpi bidimensionali cambia con il rapporto tra il raggio di curvatura degli

angoli e lrsquoaltezza dei corpi

Parametri fondamentali

119903119896 = raggio di curvatura degli angoli dei corpi solidi

119889119904= altezza dei corpi

17

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119907 ≫ 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro ≪ 30

119907 gt 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro lt 30

119908119904 gt 119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro asymp 30

119908119904 gt 119907 rarr 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro gt 30

a) Trasporto a volo e rispett in sospensione

trasporto in corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

b) Trasporto a salto trasporto in corrente

rarefatta quasi-stazionaria distribuzione non

omogenea del solido

c) Trasporto a rivoli trasporto in corrente densa

quasi-stazionaria distribuzione non omogenea

del solido

d) Trasporto a dune trasporto in corrente densa

instazionaria distribuzione non omogenea del

solido

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

18

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119908119904gtlt

119907 ≪ 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904gtlt

119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30119889119904 lt 100 micro119898

e) Trasporto a tampone trasporto in

corrente densa instazionaria

f) Trasporto a spinta trasporto in corrente

densa stazionaria distribuzione omogenea

del solido

g) Trasporto a flusso trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria distribuzione del

solido da omogenea a eterogenea

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide 119889119904 = diametro del solido

micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

19

Gli stati del trasporto trasporto verticale

119907 ≫ 1199081199040

micro ≪ 10

119907 gt 1199081199040

micro le 20

a) e b) Trasporto a volo trasporto a

corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

c) Trasporto a palle

passaggio al trasporto

in corrente densa

d) Trasporto a rivoli

trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

Parametri fondamentali

20

Gli stati del trasporto trasporto verticale

e) Trasporto

instazionario a

tampone trasporto

in corrente densa

f) Trasporto

stazionario a

spinta trasporto

in corrente densa

g) Trasporto quasi-

stazionario a flusso

trasporto in corrente

densa

1199081199040lt 119907

ltgt

119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

Parametri fondamentali

21

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina Le rette 1 e 3 indicano il gradiente di pressione per il

flusso attraverso il tubo vuoto e un mucchio bloccato

rispettivamente

bullSe un mucchio non stazionario viene attraversato dal

fluido a velocitagrave crescente il gradiente si sposta verso

3a fino al punto di turbolenza 4 in cui la perdita di

pressione egrave abbastanza grande da portare il mucchio

Se la velocitagrave cresce il peso del mucchio in

turbolenza non cambia ma aumenta la sua

dilatazione e la perdita di carico diminuisce seguendo

la curva 5 fino a raggiungere la velocitagrave di caduta del

singolo grano 1199081199040 2

bullSe il mucchio egrave bloccato con vagli il gradiente passa

il punto 4 in linea retta 3b Sulla retta 3 il volume dello spazio interstiziale egrave Ɛ=1 Il traporto verso lrsquoalto egrave possibile nel campo delimitato

da 1 e 2 5 e 3b (su di essi micro=0)

Nel trasporto a volo e in sospensione (b) il gradiente

di pressione egrave simile a quello della corrente pura (a)

Quando v cala la corrente (b) si smiscela raggiunge

un minimo (c) e sale rapidamente vicino alla velocitagrave

di caduta (d) Nel campo della velocitagrave di caduta si

passa al trasporto instazionario a tampone (e) Se la

soffiante genera sufficiente pressioni a velocitagrave minori

si puograve avere un trasporto a spinta per particelle grosse

(f) o a flusso per particelle piugrave fini (g) con gradienti di

pressione elevati

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 10: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

10

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

Equazione della perdita di carico

Uguagliando la resistenza W nellrsquoequazione (1) e nellrsquoequazione (2) si ottiene lrsquoequazione generale di perdita di

carico per il trasporto con inclinazione verso lrsquoalto

minus 119889119901 ∙ 119860 = 119866119891 sin 120573 + 119865119877119891 + 119872119891 ∙ ൗ119889119907119889119905 + 119866119878 minus 119881119878120588119891119892 cos2 120573

119908119878

119907+ 119866119878 ∙ sin 120573 + 119865119877119878 + 119872119878 ∙ ൗ119889119888

119889119905

sostituendo Masse e pesi

119872119891 = 119890ρ119891V rarr 119866119891 = 119872119891g

119872119878 = 1 minus 119890 ρ119878V rarr 119866119878 = 119872119878g

Accelerazioni

ൗ119889119907119889119905 = ൗ119889119907

119889119897 ∙ ൗ119889119897119889119905 = 119907 ൗ119889119907

119889119897ൗ119889119888

119889119905 = ൗ119889119888119889119897 ∙ ൗ119889119897

119889119905 = 119888 ൗ119889119888119889119897

119860 = ൗ119881119889119897

Forze di attrito

119865119877119891 = 119890 λ119891

ρ119891

2

1199072

119889V

119865119877119878 = 1 minus 119890 λ119878

ρ119878

2

1198882

119889119881

Deriva

minus119889119901

119889119897= 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119889+ ρ119891119907

119889119907

119889119897+ (1 minus 119890) ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119878

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ ρ119904119888

119889119888

119889119897

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λf = coefficiente di perdita di carico cW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

11

Equazione del moto

Equazione della perdita di carico

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119889+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119889+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

minus119889119901

119889119897= 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119889+ ρ119891119907

119889119907

119889119897+ (1 minus 119890) ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119878

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ ρ119904119888

119889119888

119889119897

Resistenza Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza di inerzia

del solido

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λfs = coefficiente di perdita di carico fluidosolidocW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

Parametri da determinare λs ds e

Agenda

12

Introduzione al trasporto pneumatico

Sistema di forze che agiscono in un moto in

sospensione fluida

Parametri fondamentali

13

Coefficiente di resistenza di una sfera in funzione dellrsquoindice Res esprime la resistenza di un corpo

in moto in un fluido

119882 = 119888119882 119860119904

120588119891

2(119907 minus 119888) |119907 minus 119888|

W = forza di resistenza

cW = coefficiente di resistenza

As = area di sezione trasversale

del corpo solido

ρf = densitagrave del mezzo portante

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

Res =119889119904 vminusc

ν

Res = numero di Reynolds del solido

ds = diametro del corpo solido

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

ν = viscositagrave cinematica del mezzo

portante

Parametri fondamentali

14

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della sfericitagrave

Le particelle trasportante non sono in genere di forma sferica Un parametro che ne tiene conto egrave la

sfericitagrave Ψ rapporto tra le superfici di una sfera e di una particella aventi lo stesso volume (Ψlt1) Il

coefficiente di resistenza 119888119908 aumenta al diminuire della sfericitagrave Ψ

Parametri fondamentali

15

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della forma dei corpi

Particelle di geometria uguale possono avere diversi coefficienti di resistenza se egrave diversa la forma

degli spigoli In particolare il 119888119908 crescono con la diminuzione dei raggi di curvatura degli spigoli vivi

(angoli piugrave vivi)

Parametri fondamentali

16

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoarrotondamento relativo degli spigoli

Lrsquoandamento del 119888119908 per i corpi bidimensionali cambia con il rapporto tra il raggio di curvatura degli

angoli e lrsquoaltezza dei corpi

Parametri fondamentali

119903119896 = raggio di curvatura degli angoli dei corpi solidi

119889119904= altezza dei corpi

17

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119907 ≫ 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro ≪ 30

119907 gt 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro lt 30

119908119904 gt 119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro asymp 30

119908119904 gt 119907 rarr 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro gt 30

a) Trasporto a volo e rispett in sospensione

trasporto in corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

b) Trasporto a salto trasporto in corrente

rarefatta quasi-stazionaria distribuzione non

omogenea del solido

c) Trasporto a rivoli trasporto in corrente densa

quasi-stazionaria distribuzione non omogenea

del solido

d) Trasporto a dune trasporto in corrente densa

instazionaria distribuzione non omogenea del

solido

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

18

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119908119904gtlt

119907 ≪ 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904gtlt

119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30119889119904 lt 100 micro119898

e) Trasporto a tampone trasporto in

corrente densa instazionaria

f) Trasporto a spinta trasporto in corrente

densa stazionaria distribuzione omogenea

del solido

g) Trasporto a flusso trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria distribuzione del

solido da omogenea a eterogenea

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide 119889119904 = diametro del solido

micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

19

Gli stati del trasporto trasporto verticale

119907 ≫ 1199081199040

micro ≪ 10

119907 gt 1199081199040

micro le 20

a) e b) Trasporto a volo trasporto a

corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

c) Trasporto a palle

passaggio al trasporto

in corrente densa

d) Trasporto a rivoli

trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

Parametri fondamentali

20

Gli stati del trasporto trasporto verticale

e) Trasporto

instazionario a

tampone trasporto

in corrente densa

f) Trasporto

stazionario a

spinta trasporto

in corrente densa

g) Trasporto quasi-

stazionario a flusso

trasporto in corrente

densa

1199081199040lt 119907

ltgt

119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

Parametri fondamentali

21

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina Le rette 1 e 3 indicano il gradiente di pressione per il

flusso attraverso il tubo vuoto e un mucchio bloccato

rispettivamente

bullSe un mucchio non stazionario viene attraversato dal

fluido a velocitagrave crescente il gradiente si sposta verso

3a fino al punto di turbolenza 4 in cui la perdita di

pressione egrave abbastanza grande da portare il mucchio

Se la velocitagrave cresce il peso del mucchio in

turbolenza non cambia ma aumenta la sua

dilatazione e la perdita di carico diminuisce seguendo

la curva 5 fino a raggiungere la velocitagrave di caduta del

singolo grano 1199081199040 2

bullSe il mucchio egrave bloccato con vagli il gradiente passa

il punto 4 in linea retta 3b Sulla retta 3 il volume dello spazio interstiziale egrave Ɛ=1 Il traporto verso lrsquoalto egrave possibile nel campo delimitato

da 1 e 2 5 e 3b (su di essi micro=0)

Nel trasporto a volo e in sospensione (b) il gradiente

di pressione egrave simile a quello della corrente pura (a)

Quando v cala la corrente (b) si smiscela raggiunge

un minimo (c) e sale rapidamente vicino alla velocitagrave

di caduta (d) Nel campo della velocitagrave di caduta si

passa al trasporto instazionario a tampone (e) Se la

soffiante genera sufficiente pressioni a velocitagrave minori

si puograve avere un trasporto a spinta per particelle grosse

(f) o a flusso per particelle piugrave fini (g) con gradienti di

pressione elevati

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 11: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

11

Equazione del moto

Equazione della perdita di carico

Sistema di forze che agiscono in un moto in sospensione fluida

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119889+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119889+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

minus119889119901

119889119897= 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119889+ ρ119891119907

119889119907

119889119897+ (1 minus 119890) ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119878

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ ρ119904119888

119889119888

119889119897

Resistenza Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del fluido

Forza di attrito sul fluido

Forza di inerzia del fluido Forze trasversali

Forza peso del solido

Forza di attrito sul solido

Forza di inerzia

del solido

c = velocitagrave media assiale del solido v = velocitagrave media assiale del mezzo portante ρs = densitagrave del materiale da trasportare

ρf = densitagrave del mezzo portante λfs = coefficiente di perdita di carico fluidosolidocW = coefficiente di resistenza

W = forza di resistenza al flusso e = volume interstiziale di riferimento d = diametro del condotto

β = inclinazione del condotto l = direzione assiale p = pressione statica

g = accelerazione gravitazionale 119908119878 = velocitagrave di caduta del solido

Parametri da determinare λs ds e

Agenda

12

Introduzione al trasporto pneumatico

Sistema di forze che agiscono in un moto in

sospensione fluida

Parametri fondamentali

13

Coefficiente di resistenza di una sfera in funzione dellrsquoindice Res esprime la resistenza di un corpo

in moto in un fluido

119882 = 119888119882 119860119904

120588119891

2(119907 minus 119888) |119907 minus 119888|

W = forza di resistenza

cW = coefficiente di resistenza

As = area di sezione trasversale

del corpo solido

ρf = densitagrave del mezzo portante

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

Res =119889119904 vminusc

ν

Res = numero di Reynolds del solido

ds = diametro del corpo solido

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

ν = viscositagrave cinematica del mezzo

portante

Parametri fondamentali

14

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della sfericitagrave

Le particelle trasportante non sono in genere di forma sferica Un parametro che ne tiene conto egrave la

sfericitagrave Ψ rapporto tra le superfici di una sfera e di una particella aventi lo stesso volume (Ψlt1) Il

coefficiente di resistenza 119888119908 aumenta al diminuire della sfericitagrave Ψ

Parametri fondamentali

15

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della forma dei corpi

Particelle di geometria uguale possono avere diversi coefficienti di resistenza se egrave diversa la forma

degli spigoli In particolare il 119888119908 crescono con la diminuzione dei raggi di curvatura degli spigoli vivi

(angoli piugrave vivi)

Parametri fondamentali

16

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoarrotondamento relativo degli spigoli

Lrsquoandamento del 119888119908 per i corpi bidimensionali cambia con il rapporto tra il raggio di curvatura degli

angoli e lrsquoaltezza dei corpi

Parametri fondamentali

119903119896 = raggio di curvatura degli angoli dei corpi solidi

119889119904= altezza dei corpi

17

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119907 ≫ 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro ≪ 30

119907 gt 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro lt 30

119908119904 gt 119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro asymp 30

119908119904 gt 119907 rarr 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro gt 30

a) Trasporto a volo e rispett in sospensione

trasporto in corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

b) Trasporto a salto trasporto in corrente

rarefatta quasi-stazionaria distribuzione non

omogenea del solido

c) Trasporto a rivoli trasporto in corrente densa

quasi-stazionaria distribuzione non omogenea

del solido

d) Trasporto a dune trasporto in corrente densa

instazionaria distribuzione non omogenea del

solido

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

18

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119908119904gtlt

119907 ≪ 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904gtlt

119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30119889119904 lt 100 micro119898

e) Trasporto a tampone trasporto in

corrente densa instazionaria

f) Trasporto a spinta trasporto in corrente

densa stazionaria distribuzione omogenea

del solido

g) Trasporto a flusso trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria distribuzione del

solido da omogenea a eterogenea

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide 119889119904 = diametro del solido

micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

19

Gli stati del trasporto trasporto verticale

119907 ≫ 1199081199040

micro ≪ 10

119907 gt 1199081199040

micro le 20

a) e b) Trasporto a volo trasporto a

corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

c) Trasporto a palle

passaggio al trasporto

in corrente densa

d) Trasporto a rivoli

trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

Parametri fondamentali

20

Gli stati del trasporto trasporto verticale

e) Trasporto

instazionario a

tampone trasporto

in corrente densa

f) Trasporto

stazionario a

spinta trasporto

in corrente densa

g) Trasporto quasi-

stazionario a flusso

trasporto in corrente

densa

1199081199040lt 119907

ltgt

119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

Parametri fondamentali

21

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina Le rette 1 e 3 indicano il gradiente di pressione per il

flusso attraverso il tubo vuoto e un mucchio bloccato

rispettivamente

bullSe un mucchio non stazionario viene attraversato dal

fluido a velocitagrave crescente il gradiente si sposta verso

3a fino al punto di turbolenza 4 in cui la perdita di

pressione egrave abbastanza grande da portare il mucchio

Se la velocitagrave cresce il peso del mucchio in

turbolenza non cambia ma aumenta la sua

dilatazione e la perdita di carico diminuisce seguendo

la curva 5 fino a raggiungere la velocitagrave di caduta del

singolo grano 1199081199040 2

bullSe il mucchio egrave bloccato con vagli il gradiente passa

il punto 4 in linea retta 3b Sulla retta 3 il volume dello spazio interstiziale egrave Ɛ=1 Il traporto verso lrsquoalto egrave possibile nel campo delimitato

da 1 e 2 5 e 3b (su di essi micro=0)

Nel trasporto a volo e in sospensione (b) il gradiente

di pressione egrave simile a quello della corrente pura (a)

Quando v cala la corrente (b) si smiscela raggiunge

un minimo (c) e sale rapidamente vicino alla velocitagrave

di caduta (d) Nel campo della velocitagrave di caduta si

passa al trasporto instazionario a tampone (e) Se la

soffiante genera sufficiente pressioni a velocitagrave minori

si puograve avere un trasporto a spinta per particelle grosse

(f) o a flusso per particelle piugrave fini (g) con gradienti di

pressione elevati

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 12: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

Agenda

12

Introduzione al trasporto pneumatico

Sistema di forze che agiscono in un moto in

sospensione fluida

Parametri fondamentali

13

Coefficiente di resistenza di una sfera in funzione dellrsquoindice Res esprime la resistenza di un corpo

in moto in un fluido

119882 = 119888119882 119860119904

120588119891

2(119907 minus 119888) |119907 minus 119888|

W = forza di resistenza

cW = coefficiente di resistenza

As = area di sezione trasversale

del corpo solido

ρf = densitagrave del mezzo portante

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

Res =119889119904 vminusc

ν

Res = numero di Reynolds del solido

ds = diametro del corpo solido

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

ν = viscositagrave cinematica del mezzo

portante

Parametri fondamentali

14

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della sfericitagrave

Le particelle trasportante non sono in genere di forma sferica Un parametro che ne tiene conto egrave la

sfericitagrave Ψ rapporto tra le superfici di una sfera e di una particella aventi lo stesso volume (Ψlt1) Il

coefficiente di resistenza 119888119908 aumenta al diminuire della sfericitagrave Ψ

Parametri fondamentali

15

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della forma dei corpi

Particelle di geometria uguale possono avere diversi coefficienti di resistenza se egrave diversa la forma

degli spigoli In particolare il 119888119908 crescono con la diminuzione dei raggi di curvatura degli spigoli vivi

(angoli piugrave vivi)

Parametri fondamentali

16

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoarrotondamento relativo degli spigoli

Lrsquoandamento del 119888119908 per i corpi bidimensionali cambia con il rapporto tra il raggio di curvatura degli

angoli e lrsquoaltezza dei corpi

Parametri fondamentali

119903119896 = raggio di curvatura degli angoli dei corpi solidi

119889119904= altezza dei corpi

17

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119907 ≫ 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro ≪ 30

119907 gt 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro lt 30

119908119904 gt 119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro asymp 30

119908119904 gt 119907 rarr 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro gt 30

a) Trasporto a volo e rispett in sospensione

trasporto in corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

b) Trasporto a salto trasporto in corrente

rarefatta quasi-stazionaria distribuzione non

omogenea del solido

c) Trasporto a rivoli trasporto in corrente densa

quasi-stazionaria distribuzione non omogenea

del solido

d) Trasporto a dune trasporto in corrente densa

instazionaria distribuzione non omogenea del

solido

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

18

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119908119904gtlt

119907 ≪ 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904gtlt

119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30119889119904 lt 100 micro119898

e) Trasporto a tampone trasporto in

corrente densa instazionaria

f) Trasporto a spinta trasporto in corrente

densa stazionaria distribuzione omogenea

del solido

g) Trasporto a flusso trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria distribuzione del

solido da omogenea a eterogenea

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide 119889119904 = diametro del solido

micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

19

Gli stati del trasporto trasporto verticale

119907 ≫ 1199081199040

micro ≪ 10

119907 gt 1199081199040

micro le 20

a) e b) Trasporto a volo trasporto a

corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

c) Trasporto a palle

passaggio al trasporto

in corrente densa

d) Trasporto a rivoli

trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

Parametri fondamentali

20

Gli stati del trasporto trasporto verticale

e) Trasporto

instazionario a

tampone trasporto

in corrente densa

f) Trasporto

stazionario a

spinta trasporto

in corrente densa

g) Trasporto quasi-

stazionario a flusso

trasporto in corrente

densa

1199081199040lt 119907

ltgt

119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

Parametri fondamentali

21

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina Le rette 1 e 3 indicano il gradiente di pressione per il

flusso attraverso il tubo vuoto e un mucchio bloccato

rispettivamente

bullSe un mucchio non stazionario viene attraversato dal

fluido a velocitagrave crescente il gradiente si sposta verso

3a fino al punto di turbolenza 4 in cui la perdita di

pressione egrave abbastanza grande da portare il mucchio

Se la velocitagrave cresce il peso del mucchio in

turbolenza non cambia ma aumenta la sua

dilatazione e la perdita di carico diminuisce seguendo

la curva 5 fino a raggiungere la velocitagrave di caduta del

singolo grano 1199081199040 2

bullSe il mucchio egrave bloccato con vagli il gradiente passa

il punto 4 in linea retta 3b Sulla retta 3 il volume dello spazio interstiziale egrave Ɛ=1 Il traporto verso lrsquoalto egrave possibile nel campo delimitato

da 1 e 2 5 e 3b (su di essi micro=0)

Nel trasporto a volo e in sospensione (b) il gradiente

di pressione egrave simile a quello della corrente pura (a)

Quando v cala la corrente (b) si smiscela raggiunge

un minimo (c) e sale rapidamente vicino alla velocitagrave

di caduta (d) Nel campo della velocitagrave di caduta si

passa al trasporto instazionario a tampone (e) Se la

soffiante genera sufficiente pressioni a velocitagrave minori

si puograve avere un trasporto a spinta per particelle grosse

(f) o a flusso per particelle piugrave fini (g) con gradienti di

pressione elevati

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 13: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

13

Coefficiente di resistenza di una sfera in funzione dellrsquoindice Res esprime la resistenza di un corpo

in moto in un fluido

119882 = 119888119882 119860119904

120588119891

2(119907 minus 119888) |119907 minus 119888|

W = forza di resistenza

cW = coefficiente di resistenza

As = area di sezione trasversale

del corpo solido

ρf = densitagrave del mezzo portante

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

Res =119889119904 vminusc

ν

Res = numero di Reynolds del solido

ds = diametro del corpo solido

c = velocitagrave del corpo solido

v = velocitagrave del mezzo portante

ν = viscositagrave cinematica del mezzo

portante

Parametri fondamentali

14

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della sfericitagrave

Le particelle trasportante non sono in genere di forma sferica Un parametro che ne tiene conto egrave la

sfericitagrave Ψ rapporto tra le superfici di una sfera e di una particella aventi lo stesso volume (Ψlt1) Il

coefficiente di resistenza 119888119908 aumenta al diminuire della sfericitagrave Ψ

Parametri fondamentali

15

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della forma dei corpi

Particelle di geometria uguale possono avere diversi coefficienti di resistenza se egrave diversa la forma

degli spigoli In particolare il 119888119908 crescono con la diminuzione dei raggi di curvatura degli spigoli vivi

(angoli piugrave vivi)

Parametri fondamentali

16

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoarrotondamento relativo degli spigoli

Lrsquoandamento del 119888119908 per i corpi bidimensionali cambia con il rapporto tra il raggio di curvatura degli

angoli e lrsquoaltezza dei corpi

Parametri fondamentali

119903119896 = raggio di curvatura degli angoli dei corpi solidi

119889119904= altezza dei corpi

17

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119907 ≫ 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro ≪ 30

119907 gt 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro lt 30

119908119904 gt 119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro asymp 30

119908119904 gt 119907 rarr 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro gt 30

a) Trasporto a volo e rispett in sospensione

trasporto in corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

b) Trasporto a salto trasporto in corrente

rarefatta quasi-stazionaria distribuzione non

omogenea del solido

c) Trasporto a rivoli trasporto in corrente densa

quasi-stazionaria distribuzione non omogenea

del solido

d) Trasporto a dune trasporto in corrente densa

instazionaria distribuzione non omogenea del

solido

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

18

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119908119904gtlt

119907 ≪ 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904gtlt

119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30119889119904 lt 100 micro119898

e) Trasporto a tampone trasporto in

corrente densa instazionaria

f) Trasporto a spinta trasporto in corrente

densa stazionaria distribuzione omogenea

del solido

g) Trasporto a flusso trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria distribuzione del

solido da omogenea a eterogenea

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide 119889119904 = diametro del solido

micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

19

Gli stati del trasporto trasporto verticale

119907 ≫ 1199081199040

micro ≪ 10

119907 gt 1199081199040

micro le 20

a) e b) Trasporto a volo trasporto a

corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

c) Trasporto a palle

passaggio al trasporto

in corrente densa

d) Trasporto a rivoli

trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

Parametri fondamentali

20

Gli stati del trasporto trasporto verticale

e) Trasporto

instazionario a

tampone trasporto

in corrente densa

f) Trasporto

stazionario a

spinta trasporto

in corrente densa

g) Trasporto quasi-

stazionario a flusso

trasporto in corrente

densa

1199081199040lt 119907

ltgt

119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

Parametri fondamentali

21

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina Le rette 1 e 3 indicano il gradiente di pressione per il

flusso attraverso il tubo vuoto e un mucchio bloccato

rispettivamente

bullSe un mucchio non stazionario viene attraversato dal

fluido a velocitagrave crescente il gradiente si sposta verso

3a fino al punto di turbolenza 4 in cui la perdita di

pressione egrave abbastanza grande da portare il mucchio

Se la velocitagrave cresce il peso del mucchio in

turbolenza non cambia ma aumenta la sua

dilatazione e la perdita di carico diminuisce seguendo

la curva 5 fino a raggiungere la velocitagrave di caduta del

singolo grano 1199081199040 2

bullSe il mucchio egrave bloccato con vagli il gradiente passa

il punto 4 in linea retta 3b Sulla retta 3 il volume dello spazio interstiziale egrave Ɛ=1 Il traporto verso lrsquoalto egrave possibile nel campo delimitato

da 1 e 2 5 e 3b (su di essi micro=0)

Nel trasporto a volo e in sospensione (b) il gradiente

di pressione egrave simile a quello della corrente pura (a)

Quando v cala la corrente (b) si smiscela raggiunge

un minimo (c) e sale rapidamente vicino alla velocitagrave

di caduta (d) Nel campo della velocitagrave di caduta si

passa al trasporto instazionario a tampone (e) Se la

soffiante genera sufficiente pressioni a velocitagrave minori

si puograve avere un trasporto a spinta per particelle grosse

(f) o a flusso per particelle piugrave fini (g) con gradienti di

pressione elevati

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 14: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

14

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della sfericitagrave

Le particelle trasportante non sono in genere di forma sferica Un parametro che ne tiene conto egrave la

sfericitagrave Ψ rapporto tra le superfici di una sfera e di una particella aventi lo stesso volume (Ψlt1) Il

coefficiente di resistenza 119888119908 aumenta al diminuire della sfericitagrave Ψ

Parametri fondamentali

15

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della forma dei corpi

Particelle di geometria uguale possono avere diversi coefficienti di resistenza se egrave diversa la forma

degli spigoli In particolare il 119888119908 crescono con la diminuzione dei raggi di curvatura degli spigoli vivi

(angoli piugrave vivi)

Parametri fondamentali

16

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoarrotondamento relativo degli spigoli

Lrsquoandamento del 119888119908 per i corpi bidimensionali cambia con il rapporto tra il raggio di curvatura degli

angoli e lrsquoaltezza dei corpi

Parametri fondamentali

119903119896 = raggio di curvatura degli angoli dei corpi solidi

119889119904= altezza dei corpi

17

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119907 ≫ 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro ≪ 30

119907 gt 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro lt 30

119908119904 gt 119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro asymp 30

119908119904 gt 119907 rarr 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro gt 30

a) Trasporto a volo e rispett in sospensione

trasporto in corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

b) Trasporto a salto trasporto in corrente

rarefatta quasi-stazionaria distribuzione non

omogenea del solido

c) Trasporto a rivoli trasporto in corrente densa

quasi-stazionaria distribuzione non omogenea

del solido

d) Trasporto a dune trasporto in corrente densa

instazionaria distribuzione non omogenea del

solido

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

18

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119908119904gtlt

119907 ≪ 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904gtlt

119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30119889119904 lt 100 micro119898

e) Trasporto a tampone trasporto in

corrente densa instazionaria

f) Trasporto a spinta trasporto in corrente

densa stazionaria distribuzione omogenea

del solido

g) Trasporto a flusso trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria distribuzione del

solido da omogenea a eterogenea

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide 119889119904 = diametro del solido

micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

19

Gli stati del trasporto trasporto verticale

119907 ≫ 1199081199040

micro ≪ 10

119907 gt 1199081199040

micro le 20

a) e b) Trasporto a volo trasporto a

corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

c) Trasporto a palle

passaggio al trasporto

in corrente densa

d) Trasporto a rivoli

trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

Parametri fondamentali

20

Gli stati del trasporto trasporto verticale

e) Trasporto

instazionario a

tampone trasporto

in corrente densa

f) Trasporto

stazionario a

spinta trasporto

in corrente densa

g) Trasporto quasi-

stazionario a flusso

trasporto in corrente

densa

1199081199040lt 119907

ltgt

119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

Parametri fondamentali

21

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina Le rette 1 e 3 indicano il gradiente di pressione per il

flusso attraverso il tubo vuoto e un mucchio bloccato

rispettivamente

bullSe un mucchio non stazionario viene attraversato dal

fluido a velocitagrave crescente il gradiente si sposta verso

3a fino al punto di turbolenza 4 in cui la perdita di

pressione egrave abbastanza grande da portare il mucchio

Se la velocitagrave cresce il peso del mucchio in

turbolenza non cambia ma aumenta la sua

dilatazione e la perdita di carico diminuisce seguendo

la curva 5 fino a raggiungere la velocitagrave di caduta del

singolo grano 1199081199040 2

bullSe il mucchio egrave bloccato con vagli il gradiente passa

il punto 4 in linea retta 3b Sulla retta 3 il volume dello spazio interstiziale egrave Ɛ=1 Il traporto verso lrsquoalto egrave possibile nel campo delimitato

da 1 e 2 5 e 3b (su di essi micro=0)

Nel trasporto a volo e in sospensione (b) il gradiente

di pressione egrave simile a quello della corrente pura (a)

Quando v cala la corrente (b) si smiscela raggiunge

un minimo (c) e sale rapidamente vicino alla velocitagrave

di caduta (d) Nel campo della velocitagrave di caduta si

passa al trasporto instazionario a tampone (e) Se la

soffiante genera sufficiente pressioni a velocitagrave minori

si puograve avere un trasporto a spinta per particelle grosse

(f) o a flusso per particelle piugrave fini (g) con gradienti di

pressione elevati

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 15: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

15

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoindice di Reynolds del solido e della forma dei corpi

Particelle di geometria uguale possono avere diversi coefficienti di resistenza se egrave diversa la forma

degli spigoli In particolare il 119888119908 crescono con la diminuzione dei raggi di curvatura degli spigoli vivi

(angoli piugrave vivi)

Parametri fondamentali

16

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoarrotondamento relativo degli spigoli

Lrsquoandamento del 119888119908 per i corpi bidimensionali cambia con il rapporto tra il raggio di curvatura degli

angoli e lrsquoaltezza dei corpi

Parametri fondamentali

119903119896 = raggio di curvatura degli angoli dei corpi solidi

119889119904= altezza dei corpi

17

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119907 ≫ 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro ≪ 30

119907 gt 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro lt 30

119908119904 gt 119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro asymp 30

119908119904 gt 119907 rarr 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro gt 30

a) Trasporto a volo e rispett in sospensione

trasporto in corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

b) Trasporto a salto trasporto in corrente

rarefatta quasi-stazionaria distribuzione non

omogenea del solido

c) Trasporto a rivoli trasporto in corrente densa

quasi-stazionaria distribuzione non omogenea

del solido

d) Trasporto a dune trasporto in corrente densa

instazionaria distribuzione non omogenea del

solido

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

18

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119908119904gtlt

119907 ≪ 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904gtlt

119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30119889119904 lt 100 micro119898

e) Trasporto a tampone trasporto in

corrente densa instazionaria

f) Trasporto a spinta trasporto in corrente

densa stazionaria distribuzione omogenea

del solido

g) Trasporto a flusso trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria distribuzione del

solido da omogenea a eterogenea

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide 119889119904 = diametro del solido

micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

19

Gli stati del trasporto trasporto verticale

119907 ≫ 1199081199040

micro ≪ 10

119907 gt 1199081199040

micro le 20

a) e b) Trasporto a volo trasporto a

corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

c) Trasporto a palle

passaggio al trasporto

in corrente densa

d) Trasporto a rivoli

trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

Parametri fondamentali

20

Gli stati del trasporto trasporto verticale

e) Trasporto

instazionario a

tampone trasporto

in corrente densa

f) Trasporto

stazionario a

spinta trasporto

in corrente densa

g) Trasporto quasi-

stazionario a flusso

trasporto in corrente

densa

1199081199040lt 119907

ltgt

119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

Parametri fondamentali

21

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina Le rette 1 e 3 indicano il gradiente di pressione per il

flusso attraverso il tubo vuoto e un mucchio bloccato

rispettivamente

bullSe un mucchio non stazionario viene attraversato dal

fluido a velocitagrave crescente il gradiente si sposta verso

3a fino al punto di turbolenza 4 in cui la perdita di

pressione egrave abbastanza grande da portare il mucchio

Se la velocitagrave cresce il peso del mucchio in

turbolenza non cambia ma aumenta la sua

dilatazione e la perdita di carico diminuisce seguendo

la curva 5 fino a raggiungere la velocitagrave di caduta del

singolo grano 1199081199040 2

bullSe il mucchio egrave bloccato con vagli il gradiente passa

il punto 4 in linea retta 3b Sulla retta 3 il volume dello spazio interstiziale egrave Ɛ=1 Il traporto verso lrsquoalto egrave possibile nel campo delimitato

da 1 e 2 5 e 3b (su di essi micro=0)

Nel trasporto a volo e in sospensione (b) il gradiente

di pressione egrave simile a quello della corrente pura (a)

Quando v cala la corrente (b) si smiscela raggiunge

un minimo (c) e sale rapidamente vicino alla velocitagrave

di caduta (d) Nel campo della velocitagrave di caduta si

passa al trasporto instazionario a tampone (e) Se la

soffiante genera sufficiente pressioni a velocitagrave minori

si puograve avere un trasporto a spinta per particelle grosse

(f) o a flusso per particelle piugrave fini (g) con gradienti di

pressione elevati

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 16: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

16

Coefficiente di resistenza in funzione dellrsquoarrotondamento relativo degli spigoli

Lrsquoandamento del 119888119908 per i corpi bidimensionali cambia con il rapporto tra il raggio di curvatura degli

angoli e lrsquoaltezza dei corpi

Parametri fondamentali

119903119896 = raggio di curvatura degli angoli dei corpi solidi

119889119904= altezza dei corpi

17

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119907 ≫ 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro ≪ 30

119907 gt 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro lt 30

119908119904 gt 119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro asymp 30

119908119904 gt 119907 rarr 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro gt 30

a) Trasporto a volo e rispett in sospensione

trasporto in corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

b) Trasporto a salto trasporto in corrente

rarefatta quasi-stazionaria distribuzione non

omogenea del solido

c) Trasporto a rivoli trasporto in corrente densa

quasi-stazionaria distribuzione non omogenea

del solido

d) Trasporto a dune trasporto in corrente densa

instazionaria distribuzione non omogenea del

solido

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

18

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119908119904gtlt

119907 ≪ 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904gtlt

119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30119889119904 lt 100 micro119898

e) Trasporto a tampone trasporto in

corrente densa instazionaria

f) Trasporto a spinta trasporto in corrente

densa stazionaria distribuzione omogenea

del solido

g) Trasporto a flusso trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria distribuzione del

solido da omogenea a eterogenea

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide 119889119904 = diametro del solido

micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

19

Gli stati del trasporto trasporto verticale

119907 ≫ 1199081199040

micro ≪ 10

119907 gt 1199081199040

micro le 20

a) e b) Trasporto a volo trasporto a

corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

c) Trasporto a palle

passaggio al trasporto

in corrente densa

d) Trasporto a rivoli

trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

Parametri fondamentali

20

Gli stati del trasporto trasporto verticale

e) Trasporto

instazionario a

tampone trasporto

in corrente densa

f) Trasporto

stazionario a

spinta trasporto

in corrente densa

g) Trasporto quasi-

stazionario a flusso

trasporto in corrente

densa

1199081199040lt 119907

ltgt

119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

Parametri fondamentali

21

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina Le rette 1 e 3 indicano il gradiente di pressione per il

flusso attraverso il tubo vuoto e un mucchio bloccato

rispettivamente

bullSe un mucchio non stazionario viene attraversato dal

fluido a velocitagrave crescente il gradiente si sposta verso

3a fino al punto di turbolenza 4 in cui la perdita di

pressione egrave abbastanza grande da portare il mucchio

Se la velocitagrave cresce il peso del mucchio in

turbolenza non cambia ma aumenta la sua

dilatazione e la perdita di carico diminuisce seguendo

la curva 5 fino a raggiungere la velocitagrave di caduta del

singolo grano 1199081199040 2

bullSe il mucchio egrave bloccato con vagli il gradiente passa

il punto 4 in linea retta 3b Sulla retta 3 il volume dello spazio interstiziale egrave Ɛ=1 Il traporto verso lrsquoalto egrave possibile nel campo delimitato

da 1 e 2 5 e 3b (su di essi micro=0)

Nel trasporto a volo e in sospensione (b) il gradiente

di pressione egrave simile a quello della corrente pura (a)

Quando v cala la corrente (b) si smiscela raggiunge

un minimo (c) e sale rapidamente vicino alla velocitagrave

di caduta (d) Nel campo della velocitagrave di caduta si

passa al trasporto instazionario a tampone (e) Se la

soffiante genera sufficiente pressioni a velocitagrave minori

si puograve avere un trasporto a spinta per particelle grosse

(f) o a flusso per particelle piugrave fini (g) con gradienti di

pressione elevati

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 17: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

17

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119907 ≫ 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro ≪ 30

119907 gt 1199081199040

119908119904 cong 1199081199040

micro lt 30

119908119904 gt 119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro asymp 30

119908119904 gt 119907 rarr 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro gt 30

a) Trasporto a volo e rispett in sospensione

trasporto in corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

b) Trasporto a salto trasporto in corrente

rarefatta quasi-stazionaria distribuzione non

omogenea del solido

c) Trasporto a rivoli trasporto in corrente densa

quasi-stazionaria distribuzione non omogenea

del solido

d) Trasporto a dune trasporto in corrente densa

instazionaria distribuzione non omogenea del

solido

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

18

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119908119904gtlt

119907 ≪ 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904gtlt

119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30119889119904 lt 100 micro119898

e) Trasporto a tampone trasporto in

corrente densa instazionaria

f) Trasporto a spinta trasporto in corrente

densa stazionaria distribuzione omogenea

del solido

g) Trasporto a flusso trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria distribuzione del

solido da omogenea a eterogenea

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide 119889119904 = diametro del solido

micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

19

Gli stati del trasporto trasporto verticale

119907 ≫ 1199081199040

micro ≪ 10

119907 gt 1199081199040

micro le 20

a) e b) Trasporto a volo trasporto a

corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

c) Trasporto a palle

passaggio al trasporto

in corrente densa

d) Trasporto a rivoli

trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

Parametri fondamentali

20

Gli stati del trasporto trasporto verticale

e) Trasporto

instazionario a

tampone trasporto

in corrente densa

f) Trasporto

stazionario a

spinta trasporto

in corrente densa

g) Trasporto quasi-

stazionario a flusso

trasporto in corrente

densa

1199081199040lt 119907

ltgt

119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

Parametri fondamentali

21

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina Le rette 1 e 3 indicano il gradiente di pressione per il

flusso attraverso il tubo vuoto e un mucchio bloccato

rispettivamente

bullSe un mucchio non stazionario viene attraversato dal

fluido a velocitagrave crescente il gradiente si sposta verso

3a fino al punto di turbolenza 4 in cui la perdita di

pressione egrave abbastanza grande da portare il mucchio

Se la velocitagrave cresce il peso del mucchio in

turbolenza non cambia ma aumenta la sua

dilatazione e la perdita di carico diminuisce seguendo

la curva 5 fino a raggiungere la velocitagrave di caduta del

singolo grano 1199081199040 2

bullSe il mucchio egrave bloccato con vagli il gradiente passa

il punto 4 in linea retta 3b Sulla retta 3 il volume dello spazio interstiziale egrave Ɛ=1 Il traporto verso lrsquoalto egrave possibile nel campo delimitato

da 1 e 2 5 e 3b (su di essi micro=0)

Nel trasporto a volo e in sospensione (b) il gradiente

di pressione egrave simile a quello della corrente pura (a)

Quando v cala la corrente (b) si smiscela raggiunge

un minimo (c) e sale rapidamente vicino alla velocitagrave

di caduta (d) Nel campo della velocitagrave di caduta si

passa al trasporto instazionario a tampone (e) Se la

soffiante genera sufficiente pressioni a velocitagrave minori

si puograve avere un trasporto a spinta per particelle grosse

(f) o a flusso per particelle piugrave fini (g) con gradienti di

pressione elevati

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 18: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

18

Gli stati del trasporto trasporto orizzontale

119908119904gtlt

119907 ≪ 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904gtlt

119907 gt 1199081199040

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30119889119904 lt 100 micro119898

e) Trasporto a tampone trasporto in

corrente densa instazionaria

f) Trasporto a spinta trasporto in corrente

densa stazionaria distribuzione omogenea

del solido

g) Trasporto a flusso trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria distribuzione del

solido da omogenea a eterogenea

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119907 = velocitagrave del gas 1199081199040= velocitagrave di caduta del singolo grano

119908119904 = velocitagrave di caduta delle particelle solide 119889119904 = diametro del solido

micro = rapporto di miscela per densitagrave del solido ρ119904 = 2500 kg1198983

Parametri fondamentali

19

Gli stati del trasporto trasporto verticale

119907 ≫ 1199081199040

micro ≪ 10

119907 gt 1199081199040

micro le 20

a) e b) Trasporto a volo trasporto a

corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

c) Trasporto a palle

passaggio al trasporto

in corrente densa

d) Trasporto a rivoli

trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

Parametri fondamentali

20

Gli stati del trasporto trasporto verticale

e) Trasporto

instazionario a

tampone trasporto

in corrente densa

f) Trasporto

stazionario a

spinta trasporto

in corrente densa

g) Trasporto quasi-

stazionario a flusso

trasporto in corrente

densa

1199081199040lt 119907

ltgt

119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

Parametri fondamentali

21

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina Le rette 1 e 3 indicano il gradiente di pressione per il

flusso attraverso il tubo vuoto e un mucchio bloccato

rispettivamente

bullSe un mucchio non stazionario viene attraversato dal

fluido a velocitagrave crescente il gradiente si sposta verso

3a fino al punto di turbolenza 4 in cui la perdita di

pressione egrave abbastanza grande da portare il mucchio

Se la velocitagrave cresce il peso del mucchio in

turbolenza non cambia ma aumenta la sua

dilatazione e la perdita di carico diminuisce seguendo

la curva 5 fino a raggiungere la velocitagrave di caduta del

singolo grano 1199081199040 2

bullSe il mucchio egrave bloccato con vagli il gradiente passa

il punto 4 in linea retta 3b Sulla retta 3 il volume dello spazio interstiziale egrave Ɛ=1 Il traporto verso lrsquoalto egrave possibile nel campo delimitato

da 1 e 2 5 e 3b (su di essi micro=0)

Nel trasporto a volo e in sospensione (b) il gradiente

di pressione egrave simile a quello della corrente pura (a)

Quando v cala la corrente (b) si smiscela raggiunge

un minimo (c) e sale rapidamente vicino alla velocitagrave

di caduta (d) Nel campo della velocitagrave di caduta si

passa al trasporto instazionario a tampone (e) Se la

soffiante genera sufficiente pressioni a velocitagrave minori

si puograve avere un trasporto a spinta per particelle grosse

(f) o a flusso per particelle piugrave fini (g) con gradienti di

pressione elevati

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 19: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

19

Gli stati del trasporto trasporto verticale

119907 ≫ 1199081199040

micro ≪ 10

119907 gt 1199081199040

micro le 20

a) e b) Trasporto a volo trasporto a

corrente rarefatta quasi-stazionaria

distribuzione omogenea del solido

c) Trasporto a palle

passaggio al trasporto

in corrente densa

d) Trasporto a rivoli

trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

1199081199040le 119907 lt 119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro le 30

Parametri fondamentali

20

Gli stati del trasporto trasporto verticale

e) Trasporto

instazionario a

tampone trasporto

in corrente densa

f) Trasporto

stazionario a

spinta trasporto

in corrente densa

g) Trasporto quasi-

stazionario a flusso

trasporto in corrente

densa

1199081199040lt 119907

ltgt

119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

Parametri fondamentali

21

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina Le rette 1 e 3 indicano il gradiente di pressione per il

flusso attraverso il tubo vuoto e un mucchio bloccato

rispettivamente

bullSe un mucchio non stazionario viene attraversato dal

fluido a velocitagrave crescente il gradiente si sposta verso

3a fino al punto di turbolenza 4 in cui la perdita di

pressione egrave abbastanza grande da portare il mucchio

Se la velocitagrave cresce il peso del mucchio in

turbolenza non cambia ma aumenta la sua

dilatazione e la perdita di carico diminuisce seguendo

la curva 5 fino a raggiungere la velocitagrave di caduta del

singolo grano 1199081199040 2

bullSe il mucchio egrave bloccato con vagli il gradiente passa

il punto 4 in linea retta 3b Sulla retta 3 il volume dello spazio interstiziale egrave Ɛ=1 Il traporto verso lrsquoalto egrave possibile nel campo delimitato

da 1 e 2 5 e 3b (su di essi micro=0)

Nel trasporto a volo e in sospensione (b) il gradiente

di pressione egrave simile a quello della corrente pura (a)

Quando v cala la corrente (b) si smiscela raggiunge

un minimo (c) e sale rapidamente vicino alla velocitagrave

di caduta (d) Nel campo della velocitagrave di caduta si

passa al trasporto instazionario a tampone (e) Se la

soffiante genera sufficiente pressioni a velocitagrave minori

si puograve avere un trasporto a spinta per particelle grosse

(f) o a flusso per particelle piugrave fini (g) con gradienti di

pressione elevati

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 20: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

20

Gli stati del trasporto trasporto verticale

e) Trasporto

instazionario a

tampone trasporto

in corrente densa

f) Trasporto

stazionario a

spinta trasporto

in corrente densa

g) Trasporto quasi-

stazionario a flusso

trasporto in corrente

densa

1199081199040lt 119907

ltgt

119908119904

119908119904 gt 1199081199040

micro ≫ 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro gt 30

119908119904 lt 119907 lt 1199081199040

119908119904 lt 1199081199040

micro ≫ 30

Parametri fondamentali

21

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina Le rette 1 e 3 indicano il gradiente di pressione per il

flusso attraverso il tubo vuoto e un mucchio bloccato

rispettivamente

bullSe un mucchio non stazionario viene attraversato dal

fluido a velocitagrave crescente il gradiente si sposta verso

3a fino al punto di turbolenza 4 in cui la perdita di

pressione egrave abbastanza grande da portare il mucchio

Se la velocitagrave cresce il peso del mucchio in

turbolenza non cambia ma aumenta la sua

dilatazione e la perdita di carico diminuisce seguendo

la curva 5 fino a raggiungere la velocitagrave di caduta del

singolo grano 1199081199040 2

bullSe il mucchio egrave bloccato con vagli il gradiente passa

il punto 4 in linea retta 3b Sulla retta 3 il volume dello spazio interstiziale egrave Ɛ=1 Il traporto verso lrsquoalto egrave possibile nel campo delimitato

da 1 e 2 5 e 3b (su di essi micro=0)

Nel trasporto a volo e in sospensione (b) il gradiente

di pressione egrave simile a quello della corrente pura (a)

Quando v cala la corrente (b) si smiscela raggiunge

un minimo (c) e sale rapidamente vicino alla velocitagrave

di caduta (d) Nel campo della velocitagrave di caduta si

passa al trasporto instazionario a tampone (e) Se la

soffiante genera sufficiente pressioni a velocitagrave minori

si puograve avere un trasporto a spinta per particelle grosse

(f) o a flusso per particelle piugrave fini (g) con gradienti di

pressione elevati

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 21: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

21

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina Le rette 1 e 3 indicano il gradiente di pressione per il

flusso attraverso il tubo vuoto e un mucchio bloccato

rispettivamente

bullSe un mucchio non stazionario viene attraversato dal

fluido a velocitagrave crescente il gradiente si sposta verso

3a fino al punto di turbolenza 4 in cui la perdita di

pressione egrave abbastanza grande da portare il mucchio

Se la velocitagrave cresce il peso del mucchio in

turbolenza non cambia ma aumenta la sua

dilatazione e la perdita di carico diminuisce seguendo

la curva 5 fino a raggiungere la velocitagrave di caduta del

singolo grano 1199081199040 2

bullSe il mucchio egrave bloccato con vagli il gradiente passa

il punto 4 in linea retta 3b Sulla retta 3 il volume dello spazio interstiziale egrave Ɛ=1 Il traporto verso lrsquoalto egrave possibile nel campo delimitato

da 1 e 2 5 e 3b (su di essi micro=0)

Nel trasporto a volo e in sospensione (b) il gradiente

di pressione egrave simile a quello della corrente pura (a)

Quando v cala la corrente (b) si smiscela raggiunge

un minimo (c) e sale rapidamente vicino alla velocitagrave

di caduta (d) Nel campo della velocitagrave di caduta si

passa al trasporto instazionario a tampone (e) Se la

soffiante genera sufficiente pressioni a velocitagrave minori

si puograve avere un trasporto a spinta per particelle grosse

(f) o a flusso per particelle piugrave fini (g) con gradienti di

pressione elevati

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 22: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

22

Diagramma di stato per il trasporto verticale pneumatico e

idraulico per materiale a grana da grossa a medio-fina

Introducendo le curve caratteristiche di soffianti o

compressori si puograve individuare il campo di

esercizio del trasporto nellrsquointersezione con le

curve a micro= cost

bull Per le soffianti (curve caratteristiche simili a 6) il

campo ottimale egrave quello con corrente rarefatta

bull Per i compressori che hanno una curva piugrave

ripida (7) il campo di esercizio egrave maggiore e si

puograve ottenere anche un trasporto a spinta

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Parametri fondamentali

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 23: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

23

Diagramma di stato per il trasporto verticale

pneumatico e idraulico per materiale a grana fina

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso

attraverso un mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un

mucchio bloccato 4 punto di turbolenza 5 strato di turbolenza

esteso 6 curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del

compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c)

trasporto a grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico

a spinta e rispett idraulico in corrente densa g) trasporto pneumatico

a flusso e rispett trasporto idraulico di fanghi

Nel caso di materiale a grana fina le curve nel

diagramma di stato per valori costanti del

rapporto di miscela micro hanno andamento diverso

rispetto al materiale a grana grossa soprattutto

egrave diversa la curva dello strato fluidificato come

limite inferiore Infatti le polveri fini tendono a

smiscelarsi con strati fluidificati estesi e si

possono raggiungere velocitagrave massime che

possono essere un multiplo della velocitagrave di caduta 1199081199040 (per Ɛ=07)

Si puograve notare che per avere consumi di

energia bassi

bullcon bassi rapporti di miscela egrave piugrave vantaggioso

il trasporto in corrente rarefatta

bullCon alti rapporti di miscela egrave conveniente

lavorare in corrente densa

Parametri fondamentali

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 24: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

Introduzione al trasporto pneumatico

24

Diagramma di stato misurato per il trasporto

orizzontale pneumatico della sabbia in tubo di vetro

Diametro del tubo 10 mm granulometria media 350 microm

1 Tubo vuoto 2 velocitagrave di caduta del grano singolo 1199081199040 3a Afflusso attraverso un

mucchio liberamente mobile 3b Afflusso attraverso un mucchio bloccato 4 punto di

turbolenza 4rsquo Punto di fluidificazione 5 curva limite simile allo strato fluidificato 6

curva caratteristica della soffiante 7 curva caratteristica del compressore

a) Trasporto omogeneo b) eterogeneo a volo e in sospensione c) trasporto a

grappoli d) a rivoli e) a tampone f) trasporto pneumatico a spinta e rispett idraulico

in corrente densa g) trasporto pneumatico a flusso e rispett trasporto idraulico di

fanghi

Per il trasporto orizzontale il diagramma

di stato egrave simile al trasporto verticale

La differenza egrave nella curva dello strato

fluidificato esteso mentre nel trasporto

verticale non egrave possibile andare sotto lo

strato fluidificato percheacute il solido va

trasportato dalle forze di flusso nel

trasporto orizzontale invece egrave possibile

percheacute il solido puograve appoggiarsi al fondo

della tubazione e la corrente deve vincere

solo lrsquoattrito Quindi si puograve avere trasporto

anche per v lt 1199081199040

Il limite del trasporto della curva di strato

fluidificato non parte dal punto di

turbolenza 4 ma dal punto di

fluidificazione 4rsquo piugrave in basso

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 25: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

Agenda

25

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 26: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

26

Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto lrsquoorizzontale si segue una unitagrave di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2

න1199012

1199011 119889119901

120574= 1198852 minus 1198851 + 119877 +

119866119891

119866119891 + 119866119892

11986222 minus 1198621

2

2119892+

119866119891

119866119891 + 119866119892

11988122 minus 1198811

2

2119892

120574 = φ120574119891 + (1 minus 120593)120574119892 con

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593

119881

119862

120574119892

120574119891

con ψ =119881

119862

φ =Ω119891

Ω

micro =119866119892

119866119891=

1 minus 120593

120593ψ

120574119892

120574119891

(1)

(2)

(3) (4)

119866119891 = φΩC120574119891

Tenuto conto di (4) la (2) divieneγ

120574119891=

micro+ ψ

micro+ ψ120574119892

120574119891

120574119892

120574119891

Approccio analitico (SFabbri)

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

119866119891 = portata di fluido

119866119892 = portata di solido

C = velocitagrave del fluido

V = velocitagrave del solido (V lt C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

micro = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocitagrave

(5)

(6)

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 27: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

27

Il moto in sospensione fluida Soluzione approssimata

1 Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura cosigrave si puograve porre

Approccio analitico (SFabbri)

120574119891 = 1205741

119901

1199011

120574 cong 1 +120583

Ψ120574119891 = 1 +

120583

Ψ

1205741

1199011119901

119866119891 = 120574119891 Ω 119862 =1205741

1199011119901 Ω 119862

Τ1199011 1205741

1 +120583Ψ

1198971198991199011

1199012= 1198852 minus 1198851 + R +

1 + Ψ2120583

1 + 120583

11986212

2119892

Ω1

Ω2

1199011

1199012

2

minus 1

119862119898 =1198621

2

Ω1

Ω2

1199011

1199012+ 1

2 Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto per cui Ψ e micro sono

costanti

3 In (6) si puograve trascurare micro percheacute piccolo rispetto a ψ120574119892

120574119891 per cui le eq (5) e (6) diventano

4Si integra la (1)

5 Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocitagrave media

Ciograve equivale a considerare che il fluido portante occupa lrsquointera sezione (120593 cong 1)

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 28: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

28

Approccio analitico (SFabbri) Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei collegati tra loro da

curve raccordi e pezzi speciali ciascun tratto rettilineo tipicamente a sezione costante abbinato

alla rispettiva curva raccordo o pezzo speciale determina una perdita di carico data da

119877 = 119877119886 + 119877119888

Per il primo tronco si dovragrave considerare anche la perdita di imbocca

119877 = 119877119886 + 119877119888 + 119877119894

Un approccio tipico egrave basato sulla sovrapposizione degli effetti che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido entrambi derivanti da valori empirici

119877119886 =119877119886119891 + 120583119877119886119892

1 + 120583

119877119888 =119877119888119891 + 120583119877119888119892

1 + 120583

119877119894 =119877119894119891 + 120583119877119894119892

1 + 120583

119877119886 = perdite distribuite

119877119888 = perdite concentrate

119877119894 = perdite allrsquoimbocco

119891 = fluido

g = solido

micro = rapporto di miscela 119866119892

119866119891

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

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Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 29: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

29

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoapproccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico egrave basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

lrsquoespressione delle perdite distribuite

∆119901 = λ120588119871

119889

1199072

2

∆119901 perdita di carico

λ fattore drsquoattrito

119871 lunghezza del condotto

119889 diametro del condotto

ρ densitagrave

v velocitagrave

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto egrave funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione Il suo valore

egrave ricavabile dal

diagramma di Moody

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 30: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]

Hp 1 materiale solido a grana fine

Hp 2 rapporto di miscelacarico basso

30

∆119901 = (λ119897 + 120583λ119911)120588119897119871

119889

1199072

2(eq 1)

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 non egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

λ119911 =2 lowast ∆119901 lowast 119889

120588119897 lowast 119871 lowast 1199072 lowast 120583minus

λ119897

120583

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 120640119963 quindi

per evitare questo introduce un singolo fattore di attrito per lrsquointera miscela

Approccio analitico (MWeber) Perdite di carico

Lrsquoespressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico egrave

∆119901 = λ119892119890119904120588119897119871

119889

1199072

2(eq2)

∆119953 perdita di carico

120640119944119942119956 coefficiente drsquoattrito per la miscela

119923 lunghezza del condotto

119941 diametro del condotto

120646119949 densitagrave dellrsquoaria

v velocitagrave

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 31: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

31

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Secondo lrsquoanalisi di Weber lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto allrsquoerrore generato dellrsquoequazione classica per le perdite di carico

λ119911 = 21 lowast 120583minus03 lowast 119865119903minus1 lowast 119865119903119904

025 lowast119889119904

119889

minus01

Errore relativo medio lineare plusmn64

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per lrsquoequazione

classica delle perdite di carico se il fattore di attrito

dellrsquoaria λ119897 non egrave influenzato dal solido il fattore di

attrito del solido egrave dato da

λ119892119890119904 = 002 lowast 1205830657 lowast 119865119903minus08 lowast 119865119903119904

0225 lowast119889

119904

119889

minus0194lowast

120588119904

120588119897

01865

Equazione di Weber

Secondo Weber la forma dellrsquounico fattore di attrito

da inserire nellrsquoequazione (2) egrave

Errore relativo medio lineare plusmn371

120640119963 fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ119897 non egrave influenzato dal solido

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941 119889119894119886119898119890119905119903119900 119889119890119897 119888119900119899119889119900119905119905119900119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890micro rapporto di miscelaws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 32: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

32

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Equazione classica

Se il fattore di attrito dellrsquoaria λ119897 egrave influenzato dal solido e dal numero di Reynolds si ha

Errore relativo medio lineare plusmn30

Equazione di Weber

La forma dellrsquounico fattore di attrito da inserire nellrsquoequazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] egrave

Errore relativo medio lineare plusmn1374119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =

1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119901 = (03164

119877119890025lowast120572+ 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2λ119904 = 00223 lowast 1205830741 lowast 119865119903

minus0872 lowast 1198651199031199040268 lowast

119889119904

119889

minus0259lowast

120588119904

120588119897

0081

λ119892119890119904 = 1205830079 lowast 119865119903minus0208 lowast

119889119904

119889

minus003lowast

120588119904

120588119897

minus0363lowast 119878119911 lowast 120583119877

00532

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

con

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 33: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

33

Perdite di carico

Approccio analitico (MWeber)

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4] Weber ha dimostrato la dipendenza di 120640119949 da micro

119917119955 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 =1198812

119889119892

119917119955119956 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119865119903119900119906119889119890 119901119890119903 119894119897 119904119900119897119894119889119900 =1199081199040

2

119889119904119892119941119904 119889119894119886119898119890119905119903119900 119898119890119889119894119900 119889119890119897119897119890 119901119886119903119905119894119888119890119897119897119890ws0 velocitagrave di caduta della singola particellag accelerazione di gravitagrave120646119949 120646119956 119889119890119899119904119894119905agrave 119889119894 119886119903119894119886 119890 119904119900119897119894119889119900119929119942 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119877119890119910119899119900119897119889119904120640119944119942119956 fattore di attrito della miscela

119930119963 119899119906119898119890119903119900 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890120641119929 = 119891119886119905119905119900119903119890 119889119894 119888119900119897119897119894119904119894119900119899119890 119898119890119888119888119886119899119894119888119900

∆119953 perdita di carico120640119949 fattore di attrito per lrsquoaria120630 fattore = 13120640119956 fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ119897 egrave influenzato dal solido119923 lunghezza del condotto119941 diametro del condotto120646119949 densitagrave dellrsquoariav 119907119890119897119900119888119894119905agravemicro rapporto di miscela

∆119901 = (λ119897(119891(120583)) + 120583λ119904)120588119897

119871

119889

1199072

2

λ119904 = 00407 lowast 120583minus0525 lowast 119865119903minus0385 lowast 119865119903119904

011 lowast 119877119890minus0084 lowast1198821199040

119907

minus0258lowast

119889119904

119889

0138lowast

120588119904

120588119897

0283lowast 1198781199110133 lowast 120583R

0195

λ119897 =01

1198771198900151 lowast1

1+12058307

Errore relativo medio lineare plusmn615

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 34: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

34

Bibliografia

[1] M Weber Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance Multiphase

flow engineering ANIMP Trieste 1990 pp 41-50

[2] Stegmaier W Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger

stoffe f+h ndashFordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay G Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel W Exp Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager

Rohrleitungen und Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze VDI Forschungsbericht 538

1970

Approccio analitico (MWeber)

Lrsquoapproccio analitico di Weber basato sulla determinazione e lrsquoutilizzo di un unico fattore di attrito

presenta alcuni limiti di applicabilitagrave

1- lrsquoequazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa non egrave

considerata)

2- in un unico fattore di attrito non egrave possibile inserire le caratteristiche del materiale

Perdite di carico

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 35: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

Agenda

35

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 36: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

36

Lrsquoapproccio utilizzato da David Mills egrave di tipo

empirico in quanto determina le perdite di

carico per via sperimentali raccogliendo i

risultati ottenuti con diverse condizioni del

trasporto pneumatico in termini di

- materiale trasportato

- disposizione del condotto

(orizzontaleverticale)

- diametro del condotto

- rapporti di miscela

- presenza di curve pezzi specialihellip

Approccio empirico (DMills)

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro

Il limite di questo approccio egrave che se

anche uno solo dei parametri egrave diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 37: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

Agenda

37

Approccio analitico (SFabbri MWeber)

Approccio empirico (DMills)

Approccio simulativo (G Ferretti)

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 38: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

38

Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico egrave

necessario utilizzare un approccio simulativo

Infatti il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nellrsquoidraulica e

nellrsquoidrodinamica per cui egrave difficile trovare unrsquoespressione delle perdite di carico per via analitica

In particolare non egrave possibile trovare un unico coefficiente drsquoattrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalitagrave di trasporto caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore drsquoattrito

1 accelerazione iniziale

2 sviluppo rettilineo

3 sviluppo in curva

4 accelerazione dopo la curva (ne da 1)

Approccio simulativoPerdite di carico

Lrsquoapproccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto

Il software TPSimWin consente di valutare step by step alcuni parametri del trasporto pneumatico

a perdite di carico

b velocitagrave del solido e dellrsquoaria

c grado di vuoto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 39: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

39

Approccio simulativo

Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono

1 Equazione di continuitagrave del gas

2 Equazione di continuitagrave del solido

3 Equazione di stato del gas

4 Equazione differenziale del moto

5 Equazione differenziale delle perdite di carico

119907 =4119866

120587 1198632119890119898120588119891

119888 =4119866

120587 1198632(1 minus 119890)120588119904

119901

120588119891= 119888119900119904119905119886119899119905119890

119889119888

119889119897=

3

4

119888119908

119889119904

ρ119891

ρ119904 119890

(119907 minus 119888)2

119888minus

1

119888119892 sin β + λ119904

1198882

2119863+

ρ119891

119888 ρ119904119892 sin β + λ119891

1199072

2119863+ 119907

119889119907

119889119897+

1 minus 119890

119890

ρ119904 minus ρ119891

ρ119904119892

119908119904

119888 1199071198881199001199042120573

119889119901

119889119897119890ρ119891

1199072

119901minus 1 = 119890 ρ119891119892 sin β + λ119891

ρ119891

2

1199072

119863+ 1 minus 119890 ρ119904 minus ρ119891 1198921198881199001199042120573

119908119904

119907+ ρ119904119892 sin β + λ119904

ρ119904

2

1198882

119889+ (1 minus 119890) 120588119904119888 minus 120588119891

1199072

119888

119889119888

119889119897

v = velocitagrave del gas

c = velocitagrave del solido

G = portata del solido

ρf = densitagrave del gas

D = diametro del condotto

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica

cW = coefficiente di resistenza

ρs = densitagrave del solido

β = inclinazione del condotto

l = direzione assiale

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido

λf = coefficiente di attrito del gas

ws = velocitagrave di caduta della particella

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 40: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

40

Approccio simulativo

Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1 Impianto in aspirazione compressione

2 Tipo di tubazione

3 Lay-out dellrsquoimpianto numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale)

4 Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto

5 Inclinazione del condotto β

Fasi solido e gas

6 Portata di materiale da trasportare G

7 Rapporto di miscela m

8 Peso specifico del solido ρs

9 Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf

10 Diametro medio delle particelle ds

11 Temperatura del fluido di trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 41: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

41

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocitagrave del gas v assumendo un valore del volume interstiziale e di primo tentativo

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido

c) Determinazione iterativa della densitagrave del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata

d) Calcolo iterativo della velocitagrave di caduta della particella ws (funzione di cW che dipende dal

numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa)

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v c ws m D)

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dellrsquoaria

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 42: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

42

Approccio simulativo

Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocitagrave 119889119888

119889119897 fissando valori di primo tentativo per velocitagrave del solido c e

volume interstiziale e e considerando che nella prima iterazione ρg gtgtρf

i) Calcolo del gradiente di pressione 119889119901

119889119897fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densitagrave del fluido la media tra le densitagrave nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato Ne derivano anche i valori di pressione densitagrave e velocitagrave del

fluido nel tratto successivo

j) Calcolo del volume interstiziale e

k) Calcolo della velocitagrave del solido c nella sezione successiva

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva

m) Calcolo della velocitagrave del gas v nella sezione successiva

n) Calcolo del nuovo Ref

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 43: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

43

Approccio simulativoPerdite di carico

Con il procedimento descritto il software egrave in grado di simulare lrsquoandamento delle perdite di carico

lungo la tubazione in funzione di alcuni parametri

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene

Lunghezza trasporto 5825 m

Diametro del condotto D= 1016 mm (3rsquo frac12)

Granulometria media lsquograinsrsquo 3 mm

lsquoflakesrsquo 04 mm

Portata di solido 10 th

Cesare Saccani

ldquoA new simulation program for designing

pneumatic conveying plantsrdquo

Bulk Solids Handling volume 13 ndeg 1

febbraio 1993 Trans Tech Publication Germany

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 44: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

44

Approccio simulativo

La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale

Il volume interstiziale egrave definito come il rapporto tra la sezione del condotto

occupata dallrsquoaria (Aa) e lrsquointera zione del condotto (A)

Volume interstiziale

Allrsquointerno di un volume elementare di lunghezza dl si puograve avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa

119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894119897119906119894119905119900 119872119889 = 119872119886119904119904119886 119904119900119897119894119889119886 119899119890119897 119905119903119886119904119901119900119903119905119900 119889119894 119906119899 119905119886119901119901119900(119872119904)

La simulazione non considera ciograve che accade nella fase iniziale ma parte da ciograve che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro distanza per la quale ciograve che accade prima non influisce piugrave

sui tratti successivi La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 45: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

45

Md

Ms

45

119872119889 = 119872119904

119872119889 = 119860119904 119889119897 120588119904

119872119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119860119904 119889119897 120588119904 = 119860 119889119897119904 120588119887119904

119889119897119904

119889119897=

119860119904 120588119904

119860 120588119887119904

120576 =119860119886

119860= 1 minus

119860119904

119860

1 minus 120576 =119860119904

119860

119889119897119904

119889119897= (1 minus 120576)

120588119904

120588119887119904

120588119904= densitagrave del solido

120588119887119904 = densitagrave in mucchio del solido

Quindi se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti

egrave possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dallrsquoaria

Egrave preferibile che il rapporto 119889119897119904

119889119897non superi un certo valore che limita la dimensione del tappo

Approccio simulativo

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 46: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

46

46

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 119891119896

Allrsquoinizio lrsquoaria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia sia la forza di attrito

Nella fase di partenza del

tappo le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico ma da quello

statico 119891119904

Approccio simulativo

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 47: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

47

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz 1951)

47

Approccio simulativoIl coefficiente di attrito statico 119891119904 (o 120583119904) solitamente egrave piugrave alto di quello cinetico 119891119896 (o 120583119896) (fino a

7 volte a seconda dei materiali considerati)

Nel caso peggiore (119891119904 = 7119891119896) il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dellrsquoattrito Questa perdita di carico influenza la velocitagrave dellrsquoaria che

diminuisce Ne consegue che si puograve superare la pressione limite dellrsquoaria del compressore e il

trasporto pneumatico puograve essere esposto ad un improvviso blocco

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 48: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

Agenda

48

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 49: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

49

Componentistica principale

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali

Una o piugrave torri scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali soffiante S separatore a ciclone

C e filtri F A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione

La bocca di aspirazione egrave un tubo cilindrico

con un invito conico su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere lrsquoaria a

passare attraverso il materiale solido

Con alcuni materiali (es cemento) egrave necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimitagrave della bocca

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 50: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

50

1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente) utilizzate sia per lo scarico da

separatori tramoggie silos etc sia per

lrsquoalimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate un setto poroso (di

fibre naturali materiali sinterizzati etc) separa

il materiale dallrsquoaria in pressione Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

cosigrave a presentare una diminuzione notevole

dellrsquoangolo di declivio naturale

Componentistica principale

Rotocella

Coclea

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 51: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

51

Componentistica principale

Compressori

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 52: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

52

Componentistica principale

Cicloni

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 53: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

53

Componentistica principale

Raschiatori

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 54: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

Componentistica principale

54

Rotocelle

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 55: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

55

Componentistica principale

Coclee

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 56: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

56

Componentistica principale

Coclea

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 57: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

57

Componentistica principale

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 58: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

58

Componentistica principale

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 59: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

59

Componentistica principale

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 60: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

60

Componentistica principale

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 61: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

61

Componentistica principale

Valvole deviatrici

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 62: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

62

Componentistica principale

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 63: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

Agenda

63

Componenti principali nel trasporto pneumatico

Trasporto idraulico

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 64: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

64

Componentistica principale

Schema a blocchi della stazione di partenza

di un carbondotto

Schema a blocchi della stazione di arrivo

con impianto separatore

Le stazioni intermedie di pompaggio sono simili alla stazione di partenza

Dai silos (S1) il carbone grezzo passa ai frantoi (F) seguiti dai vagli vibranti (V) Si passa poi ai mulini

(M) seguiti da ulteriori vagli (Vrsquo) Il carbone con la granulometria desiderata viene raccolto dei silos

di servizio (S2) e avviato poi con nastri trasportatori a una o piugrave vasche di miscelazione assieme

allrsquoacqua prelevata dal serbatoio (S)

La torbida (con una determinata concentrazione di solido) viene accumulata nei serbatoi (St) e inviata

al gruppo di pompaggio (Pa) con pompe centrifughe (B) Egrave possibile aggiungere soluzioni per evitare

corrosioni (dal serbatoio I) Dal serbatoio Srsquo si preleva acqua per lavare le pompe o per lsquospiazzarersquo la

torbida dalle condotte

Nella stazione di arrivo la torbida egrave accumulata nei serbatoi Sa e mandata ai separatori centrifughi Sc

Il solido separato egrave inviato ai forni di essiccamento (E) ai mulini di polverizzazione (M) e ai silos

dellrsquoutilizzatore (Su)

Trasporto idraulico

65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

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65

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Nellrsquoimpianto di Belovo-Novosobirsk il materiale proveniente dai silos (Sc) con alimentatori (a) viene

inviato a mulini in parte by-passati per raggiungere la granulometria voluta

Ci sono serbatoi intermedi (Si) e un serbatoio (A) per acqua e additivi

Allrsquoarrivo egrave presente uno scambiatore (R) per la presenza di basse temperature esterne e prevenire

quindi inconvenienti ai serbatoi di arrivo (Sa)

Le caratteristiche della miscela sono tali da consentire lrsquoimmissione diretta in caldaie con particolari

bruciatori

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 66: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

66

Componentistica principaleTrasporto idraulico

Per dimensionare impianti di trasporto idraulico vengono forniti diagrammi sperimentali che danno

la perdita di pressione per unitagrave di lunghezza di tubazione in funzione della velocitagrave del fluido c e del

rapporto di miscela micro

Conviene adottare valori di c che consentano di lavorare con le minime perdite (curva a tratti) In

pratica si utilizzano valori leggermente maggiori in quanto per qualche ragione potrebbe verificarsi

una riduzione di velocitagrave che determina un aumento di perdite

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 67: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

Agenda

67

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Caratterizzazione e simulazione

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 68: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

Raw material

Clay medium size 10-20 cm

Feldspar medium size 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air

68

Trasporto con nastri trasportatori

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 69: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

Introduction

69

Spray dryer ndash

Sezione di scarico

69

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 70: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

Introduction

70

Alimentazione dei

silos intermedi

70

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 71: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

71

Trasporto con nastri trasportatori

Vantaggi del trasporto con nastri

- Affidabilitagrave e semplicitagrave di gestione

- Assenza di danni al prodotto

- Bassa variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

Svantaggi del trasporto con nastri

- Contaminazione di polvere nellrsquoambiente di lavoro

- Maggiori costi di investimento e di gestione

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 72: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

Agenda

72

Trasporto con nastri trasportatori

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 73: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vantaggi del trasporto pneumatico

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere

- Bassi costi di investimento e gestione

Svantaggi del trasporto pneumatico

- Danni al prodotto per alte velocitagrave del solido (se maggiore di 7 ms) unite a gradienti

di velocitagrave del solido (se maggiore di 8 s-1)

- Maggiore rischio di variazione dellrsquoumiditagrave dellrsquoatomizzato

73

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 74: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

74

74

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

Il progetto di progettazione e realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato co-finanziato dalla regione Emilia-Romagna allrsquointerno del lsquoProgramma

regionale per la ricerca industriale lrsquoinnovazione e il trasferimento tecnologicorsquo

I partner del progetto sono Technosilos snc unrsquoAzienda italiana dinamicamente coinvolta nel

campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio e il Dipartimento di Ingegneria

Industriale (DIN) dellrsquoUniversitagrave di Bologna

Egrave stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante lrsquoumiditagrave del solido lungo la

tubazione controllando

- lrsquoumiditagrave dellrsquoaria compressa

- la temperatura drsquoingresso dellrsquoatomizzato

- la temperatura di saturazione dellrsquoaria portante come funzione delle perdite di carico

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico egrave stato utilizzato per confermare le

previsioni simulate con il software TPSimWin in relazione alla velocitagrave del solido e del gradiente di

velocitagrave del solido

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 75: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

75

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

75

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dellrsquoatomizzato di barbottina

76

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 76: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

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450

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Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm egrave la scelta migliore percheacute

la curva egrave piugrave piatta (maggiore

stabilitagrave nel trasporto)

Andamento delle perdite di carico con il rapporto di miscela m per 3 diversi

diametri del condotto d

76

Prima di tutto TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere la dimensione del condotto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 77: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

77

Poi TPSimWin egrave stato utilizzato per scegliere il

rapporto di miscela m

La scelta egrave stata fatta considerando le previsioni fatte

su

- velocitagrave del solido (V)

- gradiente di velocitagrave del solido (gradV)

La velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido sono

profondamente connessi In particolare il limite

massimo del gradiente di velocitagrave dipende dal limite

massimo della velocitagrave del solido

77

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 78: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

78

Previsioni di simulazione con TPSimWin (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Vmax=85 ms

7 ms

Gradiente di velocitagrave media

gradV=ΔVL

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 79: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

79

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

L

ΔV

Pneumatic conveying test facility design

Greater gradient

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 80: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

La variazione di energia cinetica (ΔE) egrave correlata al

gradiente di velocitagrave

Le perdite di energia sono connesse con il danno del

prodotto crsquoegrave una relazione di proporzionalitagrave tra il

volume del solido rimosso dallrsquousura eo abrasione e

lrsquoenergia coinvolta in questo fenomeno

Esempio numerico con gradV = 1 s-1

V1 =5 ms

V2 =4 ms

V1 =25 ms

V2 =24 ms 80

ΔE asymp V12 ndash V22 = 9 m2s2

ΔE asymp V12 ndash V22 = 49 m2s2

80

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 81: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

-35

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3

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0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

81

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 2 cmgradV max = 35 s-1

gradV min = -30 s-1

81

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

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0

05

1

15

2

25

3

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0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 82: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

82

Il gradiente di velocitagrave del solido potrebbe avere

localmente alti valori lungo il trasporto pneumatico

particolarmente quando lo step di calcolo egrave molto

piccolo (le 2-3 cm)

Ciograve significa che una piccola quantitagrave di materiale egrave

coinvolta in un forte rallentamento

Unrsquoanalisi con uno step di calcolo si 25-26 cm fornisce

una situazione piugrave rappresentativa delle tensioni reali

sul solido

Quindi valutare lrsquousura e lrsquoabrasione del solido egrave

consigliabile per evitare step di calcolo troppo corti

per il solido82

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 83: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

83

TPSimWin simulation forecasts (d=86 mm m=60)

Calculation step 26 cm

-35

-3

-25

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

25

3

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 25 s-1

gradV min = -18 s-1

83

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 84: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

84

Lrsquoimpianto sperimentale basato sulle simulazioni con

TPSimWin deve avere le seguenti caratteristiche

- diametro della tubazione 86 mm

- minimo rapporto di miscela m 60

84

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Lunghezza complessiva del circuito circa 100 m

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 85: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

85

Posizionamento delle tubazioni di policarbonato per lrsquoispezione dellrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Vista isometricadellrsquoimpianto

sperimentale

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 86: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

86

C compressore rotativo a palette EVSC elettrovalvola per scarico condensa

EVAC elettrovalvola aria compressa VRPA valvola di regolazione della pressione aria

PL pressione relativa ad inizio linea PDZpressione differenziale diaframma

TZ temperatura aria ad inizio linea PD pressione differenziale multiplexer

TL temperatura lungo il circuito QMP quadretto multiplexer

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

PampI dellrsquoimpianto

sperimentale

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 87: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

87

87

Motocompressore Mattei DRS1085

Rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa drsquoaria libera effettiva [m3min] 85

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per lrsquoaria in ingresso [degC] Da -5 a +40

Umiditagrave relativa ammissibile dellrsquoaria in ingresso le90

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 88: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

88

88

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione

della portata in massa

dellrsquoaria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 89: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

89

89

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 90: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

90

90

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 91: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

91

91

Portata aria

Vista della stellare dal

lato dellrsquoingresso del

materiale

Trasporto pneumatico impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 2)

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 92: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

92

92

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocitagrave di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75

Massima temperatura di esercizio [degC] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 11

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1104

Analisi dei

componenti

principali

dettagli tecnici

della stellare

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 93: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

93

93

Elenco della strumentazione installata sullrsquoimpianto

- ndeg2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2)

- ndeg1 trasduttore di pressione assoluta (PT1)

- ndeg1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su

ndeg1 orifizio tarato

- ndeg1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro

a maniche

- ndeg10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da TT3 a TT12)

- ndeg8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi

alle ndeg29 prese di pressione distribuite lungo tutta la

lunghezza della rete (da PT3 a PT10)

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

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94

94

Esempio di acquisizione dati con quadri multiplexer

e con tecnologia digitale

Logica di funzionamento dei quadretti multiplexer

Schema logico dellrsquoacquisizione dati in Profibus

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

95

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

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96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Page 96: Modulo 3. Impianti industriali - diem.ing.unibo.it · Introduzione al trasporto pneumatico 3 I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il trasporto

96

Conclusioni

Lrsquoimpianto sperimentale del trasporto pneumatico per lrsquoatomizzato

di barbottina egrave stato progettato e realizzato per evitare problemi

critici degradazione fisica e lrsquoessiccazione del materiale

Con il software di simulazione TPSimWin egrave stato possibile

simulare la trasportabilitagrave dellrsquoatomizzato senza superare il limite

superiore per la velocitagrave e il gradiente di velocitagrave del solido

Inoltre lrsquoimpianto sperimentale consente di studiare il problema

della caratterizzazione del trasporto pneumatico del tappo

In particolare lrsquoapproccio matematico per stimare il rapporto

tappoaria nel tubo egrave stato confermato sperimentalmente Infine

anche i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati verificati

sullrsquoimpianto

Trasporto pneumatico impianto sperimentale

Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

Dott Ing Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2 40136 Bologna ndash Italy

Corso di Impianti Meccanici ndash Laurea Magistrale

97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

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Modulo 6 Impianti di trasporto in

sospensione fluida

Sezione 65 Regolazione della portata di aria negli impianti

di trasporto pneumatico

Prof Ing Cesare Saccani

Prof Ing Augusto Bianchini

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97

Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

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Agenda

98

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

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99

Per garantire lrsquointegritagrave dellrsquoatomizzato di barbottina durante il trasporto pneumatico la velocitagrave di

trasporto va mantenuta sotto a 7 ms per cui egrave necessario un trasporto in fase densa

Lrsquoandamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del rapporto di miscela m (kgh di

solido kgh di aria) (Fig 1) mostra un minimo Non tutti i materiali presentano tale minimo

mentre per altri risulta compreso in una zona nel quale il trasporto risulta instabile

Regolazione della portata drsquoaria

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Fig 1 andamento qualitativo delle perdite di

carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kgh di

solido kgh di aria) considerando costante

la portata in massa del solido

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno accuratamente valutate allo scopo di

evitare di scegliere un valore di rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore

di perdita di carico minimo (cerchio rosso in Fig 1) Infatti se le condizioni nominali di progetto

sono troppo vicine al valore minimo di perdita di carico un incremento di questrsquoultima puograve

indistintamente essere letto come un passaggio in fase diluita o in fase densa rendendo cosigrave difficile

la regolazione dellrsquoaria

Infatti un incremento della portata di aria (m cala) in fase densa porterebbe ad una riduzione delle

perdite di carico mentre in fase diluita porterebbe ad un incremento delle perdite stesse

100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

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100

Regolazione della portata drsquoariaRegolazione della portata drsquoaria 1deg soluzione adottata

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola regolatrice (VR)

Utenza a pressione variabile il carico egrave variabile e quindi si hanno delle fluttuazioni della pressione a

valle di VR Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che ldquosentardquo entrambe

le pressioni eseguendo una compensazione quando lrsquoutenza varia il proprio carico Ad esempio se

VR si chiude pv cala e pm aumenta Per ristabilire il Δp corretto si dovragrave quindi chiudere anche VRP

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la pressione differenziale ai capi

della valvola VR e quindi impiegare attuatori elettrici o elettro-pneumatici

Utenza a pressione costante il carico egrave costante e quindi non si hanno fluttuazioni della pressione a

valle di VR Va mantenuta costante anche la pressione a monte attraverso una valvola regolatrice di

pressione (VRP) che regola la propria apertura per mantenere costante la pressione a monte di VR

101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

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101

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 1deg soluzione

Nel trasporto in fase densa durante la formazione del tappo la pressione pv a valle di VR cresce

Per riuscire ad alimentare la portata di aria richiesta anche a fronte di un calo del ΔP sulla valvola di

regolazione della portata VR (per la formazione del tappo nel trasporto) si egrave inserito tra le due

valvole un serbatoio di accumulo S

Regolazione della portata drsquoaria

La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione data dal compressore fino al valore

richiesto pm mentre il serbatoio agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattivitagrave

della valvola regolatrice di portata VR

Infatti per controllare la formazione del tappo la regolazione dellrsquoaria deve essere rapida per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve essere sufficientemente grande

per fornire lrsquoaria richiesta durante la formazione del tappo

102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

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102

Regolazione della portata drsquoaria presso lrsquoimpianto di trasporto pneumatico 2deg soluzione

Nonostante gli accorgimenti attuati la regolazione PID della valvola della portata di aria agiva con

un ritardo di 2-3 s

Per risolvere il problema egrave stata inserita una valvola fissa che fornisce sempre la stessa portata di

aria mentre viene regolato il compressore

Regolazione della portata drsquoaria

Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

Modello Skillair REG 300 della metal works

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Agenda

103

Regolazione della portata drsquoaria

Scelta delle valvole

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

105

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

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Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

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Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

La valvola regolatrice di portata egrave comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie al

movimento di un otturatore (lineare equi-percentuale o ad apertura rapida) che strozza il

condotto di passaggio dellrsquoaria consentendo di ottenere la portata richiesta dallrsquoimpianto

La valvola rappresentata e scelta per lrsquoimpianto egrave ad azione inversa ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione104

Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

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Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

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Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

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Calcolo del coefficiente di portata Kv delle valvole

2

v

pp

Td

4480

GK

Tdp8239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53 della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola (bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densitagrave relativa allrsquoaria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantitagrave di acqua in m3a 15degC che attraversa in

1 ora la valvola con pressione differenziale di 1 bar

(Kvs valore fornito dal costruttore da confrontare

con Kv calcolato per la scelta della tubazione)

Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata

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Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

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Scelta delle valvoleValvola regolatrice di portata VR

Determinato il Kv e scelta la dimensione

della valvola tramite il Kvs a seconda del

fornitore scelto si hanno anche tutte le

altre dimensioni della valvola

106

Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

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Scelta delle valvole

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Scelta delle valvole

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Valvola regolatrice di portata (VR)

tipi di otturatore

Regolazione della portata drsquoaria

107

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

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Scelta delle valvole

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Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

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Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

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Scelta delle valvole

108

Scelta delle valvole

109

Valvola regolatrice di pressione (VRP) regola la propria apertura al fine di mantenere

costante la pressione a monte della VR

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Scelta delle valvole

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