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Corso di Impianti Meccanici – Laurea Triennale
Modulo 6
Impianti di separazione delle polveri da correnti
fluide
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
Dott. Ing. Marco Pellegrini
Dott. Ing. Michele Gambuti
Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna
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Introduzione
Classificazione normativa di filtri per l’aria
Agenda
Sistemi di separazione
Captazione delle polveri negli ambienti di lavoro
Dimensionamento di una camera di depolverazione
Dimensionamento di un separatore a ciclone
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Le particelle sospese in una corrente fluida possono essere campionate mediante appositi
sistemi di misura, e vengono classificate in base al loro diametro aerodinamico equivalente. Il
diametro aerodinamico equivalente di una particella è definito come il diametro di una che ha lo
stesso coefficiente di resistenza aerodinamico Cr (definito dalla legge di Stockes, come si vedrà
più avanti) della particella in questione.
Si utilizza spesso l’identificativo PM, abbreviazione di Particulate Matter, seguito dal diametro
aerodinamico massimo delle particelle.
Ad esempio si parla di PM10 per tutte le particelle con diametro inferiore o uguale a 10 µm e
di PM2,5 per tutte le particelle con diametro inferiore o uguale a 2,5 µm. Il PM2,5 è, ovviamente,
un sottoinsieme del PM10.
Il particolato grossolano se inalato, normalmente non permane nel tratto respiratorio, se non in
piccolissima parte. Il PM10 tende a fermarsi nell’apparato respiratorio superiore (naso e laringe)
e il PM2,5 è in grado di penetrare profondamente nei polmoni.
Esistono normative di carattere europeo, nazionale e regionale per quanto riguarda la
limitazione delle immissioni di particolato in atmosfera.
Tra le principali sorgenti antropiche di particolato, vi sono i processi di combustione. Tra questi è
da sottolineare l’impatto dovuto alle caldaie a biomassa: queste producono infatti molto
particolato di dimensioni fini.
Introduzione
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Limiti di emissione per impianti a biomassa di taglia < 50 MW autorizzati dopo il 2002
D.Lgs. n°152 del 3 Aprile 2006 – ‘’Norme in materia ambientale’’ – Allegato I
Introduzione
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Direttiva Europea sulla qualità dell’aria
La direttiva 2008/50/EC detta limiti di qualità dell’aria con riferimento anche alle PM 2,5. Tale
direttiva è stata recepita dalla legislazione italiana con il D.Lgs. 155/2010
Introduzione
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Direttiva Regionale
La Deliberazione dell’Assemblea Legislativa regionale n.51
del 26 luglio 2011 stabilisce i criteri regionali di localizzazione
per l’installazione di impianti di produzione di energia
mediante l’utilizzo delle fonti energetiche rinnovabili eolica, da
biogas, da biomasse e idroelettrica.
Tale atto prevede che nelle aree di superamento e nelle aree
a rischio di superamento degli standard di qualità dell’aria si
possono realizzare impianti a biomasse a condizione che sia assicurato un saldo emissivo uguale o inferiore a zero per gli inquinanti PM10 e NO2, tenuto conto di un
periodo temporale di riferimento per il raggiungimento dell’obiettivo nonché della possibile compensazione
con altre fonti emissive.
La Giunta regionale ha anche deliberato i criteri per l’individuazione del computo emissivo per gli impianti di
potenza termica maggiore di 250 kWt (Del. Giunta Emilia Romagna 362/2012), in relazione alla criticità delle
diverse aree e alla conseguente individuazione delle condizioni di localizzazione.
Saldo emissivo = Emissioni nuovo impianto – Emissioni spente ≤ 0
Si configurano in particolare due casistiche possibili:
• sostituzione di emissioni provenienti da impianti esistenti;
• Installazione di nuovi impianti con contestuale riduzione delle emissioni complessive sul territorio tramite
la realizzazione di misure compensative, localizzate in via prioritaria nella medesima area comunale o, in
dipendenza dalla localizzazione dell’impianto, nelle aree contigue ricadenti in altri comuni.
Introduzione
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Granulometria
Molto importante nella separazione delle polveri è conoscere
la composizione granulometrica delle polveri stesse,
costituite in genere da una miscela di elementi di diverse
forme e dimensioni.
Uno dei modi più semplici per determinare la granulometria
di un quantitativo noto di polveri, è la setacciatura. Le polveri
vengono inserite in una serie di setacci con maglie di
dimensioni via via decrescenti, posizionati su un basamento
che li mette in vibrazione.
Le polveri di dimensioni maggiori vengono trattenute dai
setacci superiori, mentre le polveri più fini arrivano ai settaci
a maglia più stretta.
Sui setacci si possono avere delle spazzole che favorire il
passaggio delle particelle più fini attraverso la maglia del
setaccio.
Con granulometrie molto fini, per un’analisi quantitativa del
particolato formatosi, si utilizzano laser o impattori.
Introduzione
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I setacci vengono identificati in base alla propria luce di vaglio, ovvero
dalla dimensione delle aperture che permettono il passaggio delle sole
particelle di dimensioni inferiori.
Un setaccio può anche venire indentificato tramite il proprio numero di
Mesh. Le Mesh sono un’unità di misura anglosassone corrispondente al
numero di maglie per pollice lineare. A fianco è riportata una tabella dove
è ben visibile la corrispondenza tra luce di vaglio e numero di Mesh.
Introduzione
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Rendimento
Il rendimento η, in percentuale, di una separazione solido-gas può esprimersi come:
η =A − B
A∙ 100
Dove:
A è la concentrazione del solido nella sospensione in entrata (g di solido per m3 di fluido)
B è la concentrazione del solido nel gas in uscita (g di solido per m3 di fluido)
Talvolta, specialmente nei separatori ad alta efficienza, il rendimento è espresso come fattore di
decontaminazione DF, rapporto tra le concentrazioni di solido nel gas, in entrata e in uscita:
DF =A
B=
1
1 − η 100
L’indice di decontaminazione è il logaritmo decimale del fattore di decontaminazione.
Ad esempio, un separatore con rendimento η=99,999% consentirà un DF=105 ed un indice di
decontaminazione pari a 5.
Introduzione
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Introduzione
Classificazione normativa di filtri per l’aria
Agenda
Sistemi di separazione
Captazione delle polveri negli ambienti di lavoro
Dimensionamento di una camera di depolverazione
Dimensionamento di un separatore a ciclone
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La classificazione dei filtri per l’aria è oggi regolata da numerose norme che permettono di
definire con precisione le caratteristiche del filtro in relazione alla propria classe di efficienza ed
impiego.
Sono altresì normate le metodologie e gli impianti di prova per misurare le prestazioni dei filtri.
Classificazione normativa di filtri per l’aria
A differenza dei filtri per l’aria, I depolveratori industriali non sono contemplati dalle norme.
A seconda della specifica applicazione, esistono tecnologie di riferimento determinate
dall’esperienza su campo.
I filtri contemplati dalle norme sono suddivisi in 3 macrocategorie:
• Grossolani: G
• Fini:
• Assoluti:
EPA (Efficiency Particulate Air filter)
HEPA (High Efficiency Particulate Air filter)
ULPA (Ultra Low Penetration Air filter).
M (Medium)
F (Fine)
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Classificazione normativa di filtri per l’aria Standard EN 779-2012 (EU)
‘‘Particulate air filters for general ventilation. Determination of the filtration performance’’
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Standard ANSI / ASHRAE 52.2-2012 (USA)
“Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size”
I filtri vengono suddivisi in 4 categorie:
• grossolani
(MERV da 1 a 4)
• bassa efficienza
(MERV da 5 a 8)
• media efficienza
(MERV da 9 a 12)
• alta afficienza
(MERV da 13 a 16)
Classificazione normativa di filtri per l’aria
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Standard EN 1822-2009 (EU)
‘‘High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA)’’
I valori integrali si riferiscono alle polveri totali trattenuta rispetto alla corrente totale entrante.
I valori locali fanno riferimento a situazioni locali del filtro. Peri filtri H e U occorre stabilire un ulteriore
controllo puntuale su tutta la superficie filtrante, per la ricerca di eventuali perdite (microfori).
Il dato di efficienza locale è molto importante se si pensa, ad esempio, alla necessità di realizzare atmosfere
controllate nelle camere bianche per la produzione di chip, o alle esigenze di sterilità in sala operatoria (il
veicolo di trasporto di batteri e virus è infatti il particolato, solido o liquido, sospeso in aria).
Classificazione normativa di filtri per l’aria
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Standard EN 13779-2007
“Ventilation for non-residential buildings — Performance requirements for ventilation and room-
conditioning systems”
Per applicazioni in ambienti non residenziali è possibile fare riferimento alle seguenti tabelle. Il tipo e la
classe di filtrazione dipendono dalla qualità dell’aria esterna e dalla qualità dell’aria richiesta.
Classificazione normativa di filtri per l’aria
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Norma UNI 10339
“Impianti aeraulici a fini di benessere”
È possibile fare riferimento alla tabella a
fianco per le categorie di edifici indicati.
Classificazione normativa di filtri per l’aria
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Introduzione
Classificazione normativa di filtri per l’aria
Agenda
Sistemi di separazione
Captazione delle polveri negli ambienti di lavoro
Dimensionamento di una camera di depolverazione
Dimensionamento di un separatore a ciclone
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Separatori inerziali
Nei sistemi ad inerzia il fluido portante subisce una
serie di deviazioni, che le particelle non riescono a
seguire completamente a causa delle forze di inerzia
dovute alla loro massa. Finiscono così contro ostacoli
o pareti esterne, perdono energia cinetica e
precipitano verso le tramogge di scarico e le coclee di
estrazione.
Qualunque sistema di separazione deve poter incidere sull’energia cinetica della particella,
annullandola o almeno riducendola fortemente. Questo si ottiene mandando le particelle ad
urtare contro mezzi diversi, solidi, fluido, ecc…
I vari sistemi si differenziano tra loro per le modalità con le quali le particelle vengono guidate
all’ostacolo.
Tra i sistemi di separazione inerziale particolarmente importanti sono quelli basato sulla forza
centrifuga. Il fluido viene sottoposto a moto rotatorio sicché le particelle vengono sottoposte a
forze di inerzia centrifughe che le spingono ad urtare contro la parete del contenitore.
Sistemi di separazione
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Separatori a Ciclone
Tra i sistemi di separazione inerziali, particolarmente importante sono quelli che
sfruttano la forza centrifuga. Il fluido viene sottoposto a moto rotatorio sicché le
particelle vengono sottoposte a forze di inerzia centrifughe che le spingono ad
urtare contro la parete del contenitore.
Nei separatori a ciclone, si provoca un vortice in una camera cilindrica. Si
introduce il fluido tangenzialmente dall’alto imprimendogli una forte componente
tangenziale e una modesta componente verso il basso della velocità.
Le particelle centrifugate contro la parte cilindrica vengono frenate nel loro moto
rotatorio scendendo ad elica verso il fondo. Il fluido che le accompagna, giunto
alla zona conica che ne riduce la traiettoria, acquista velocità e forma un vortice
più stretto che risale allo scarico coassiale con l’involucro.
Camere di depolverazione
Nei sistemi a caduta vengono ridotte fortemente le velocità del fluido portante e delle particelle.
Si riduce la resistenza al moto delle particelle ma anche la portanza, sicché la particella scende,
in un moto combinato, sotto l’azione della gravità e finisce contro il fondo del contenitore o altre
pareti, cedendo la già modesta energia cinetica.
Sistemi di separazione
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Filtri a tessuto
Questi filtri sono costituiti da materiali fibrosi e a volte
vengono identificati tramite il ‘’numero di mesh’’, ovvero il
numero di fili della trama che si hanno per pollice quadrato.
A differenza dei setacci, questi filtri possono trattenere
anche particelle dalle dimensioni inferiori a quelle degli
interstizi. Le particelle infatti possono essere intercettate
dalle fibre non solo per l’impossibilità di infilarsi nei vani,
ma soprattutto per urto diretto contro le fibre o indotto per
inerzia dalle deviazioni subite dal fluido portante.
Con il depositarsi delle prime polveri, il filtro migliora perché presenta più accidentalità e vani più
piccoli, ma, in seguito, si hanno eccessive cadute di pressione.
Sorge così il problema della pulizia dei filtri. A questo scopo di olito i piccoli filtri sono tuti
smontabili, mentre i filtri più importanti sono di tipo autopulente.
Nel filtro a sbattimento meccanico di figura a), si provoca l’agitazione delle maniche a mezzo di
dispositivi meccanici, biellette, camme, sistemi vibranti (M).
In quello a pulizia pneumatica di figura b), quando la perdita di pressione raggiunge un
determinato valore, viene immessa aria compressa attraverso elettrovalvola V in elementi
toroidali T che scendono verso il basso.
Sistemi di separazione
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Separatori elettrostatici
La carcassa è portata a terra e un elettrodo centrale caricato è
mantenuto ad un potenziale molto elevato (migliaia di volt).
Il gas interposto tra i due elettrodi viene così ionizzato. Gli ioni
gassosi negativi, ionizzano le particelle solide del gas polveroso
entrante, che, quindi, si caricano positivamente, vengono attratte
dall’elettrodo costituito dall’involucro, lo urtano riducendo
l’energia cinetica, gli cedono la carica elettrica e scendono al
fondo.
Il filtro funziona tanto meglio quanto più bassa è la concentrazione di particolato.
Per portate elevate si ricorre a separatori costituiti da una serie di piastre parallele tra loro con
fili carici interposti.
I separatori elettrostatici presentano un elevato costo di impianto dovuto soprattutto
all’isolamento elettrico in presenza di alte tensioni.
Erano la principale tecnologia competitor dei filtri a tessuto poiché 30 anni fa quest’ultimi non
potevano sopportare elevate temperatura, mentre i separatori elettrostatici sono composti da
soli componenti metallici.
Oggi, grazie all’esistenza di tessuti che possono resistere ad oltre 300°C, si preferisce utilizzare
filtri a tessuto, evitando i problemi correlati all’alta tensione.
Sistemi di separazione
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Separatori a umido
Nei separatori ad umido le particelle solide
vengono separate venendo a contatto con schermi
d’acqua o superfici bagnate.
Vengono create goccioline dell’ordine dei 100 µm
che pervadono l’ambiente di passaggio e
inglobano le particelle solide, rendendo più
semplice l’operazione di separazione.
Si ha la possibilità di separare anche in presenza
di fluidi pericolosi ed aggressivi e di utilizzare
composti basici come soda o calce per
neutralizzare i componenti acidi eventualmente
presenti.
Esistono architetture (a) munite semplicemente di ugelli di lavaggio e filtro per trattenere le
goccioline d’acqua, o architetture (b) dove le particelle vengono intercettate da veli d’acqua che
scendono dai piatti.
Risulta necessario trattare l’acqua uscente arricchita di particelle in sospensione.
Sistemi di separazione
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Vantaggi:
• elevate efficienze per granulometrie fini
• possibilità di operare con gas caldi ed umidi
• modesti costi di impianto
Scrubber Venturi
Il condotto convergente-divergente richiama la
corrente polverosa per effetto Venturi e si realizza un
flusso ad alta velocità.
Dell’acqua viene atomizza nella sezione di gola
umidificando l’aria e creando una sospensione di
goccioline. Nel tratto divergente si ha condensazione
di parte dell’acqua evaporata con formazione di
ulteriori goccioline.
Le polveri vengono intrappolate nelle goccioline e
risultano più facili da separare.
Svantaggi:
• elevate perdite di carico
• trattamento dei reflui liquidi e fanghi
• limiti sulla portata dei fumi
Sistemi di separazione
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Valori orientativi di perdite di carico e rendimenti di separazione per separatori a umido
Sistemi di separazione
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Tipologia Efficienza di separazione
ponderale (%)
Minimo diametro
separabile (m)
Carico di polveri
ammesso (mg/m3)
Cicloni 85 10 2000*
Scrubber 90 5 2000
Separatori a maniche 99 1 500
Precipitatori elettrostatici 95 2 200
Prestazione dei diversi sistemi di filtrazione
Le prestazione di ciascuno dei sistemi di depolverazione vengono valutate in base a diversi
parametri tra cui:
• efficienza di separazione ponderale
• minimo diametro delle polveri separabile
• carico di polveri ammesso
(* il carico aumenta per cicloni ad alta carica di attraversamento come, ad esempio, quelli utilizzati per scaricare materiale
dalle navi o nella sezione finale di un trasporto pneumatico)
Sistemi di separazione
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Introduzione
Classificazione normativa di filtri per l’aria
Agenda
Sistemi di separazione
Captazione delle polveri negli ambienti di lavoro
Dimensionamento di una camera di depolverazione
Dimensionamento di un separatore a ciclone
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Camera di depolverazione
In questi separatori, detti anche a sedimentazione, la separazione avviene per gravità.
Il fluido arriva in una ambiente di grandi dimensioni e rallenta, realizzando una camera di calma.
Alle particella in sospensione viene a mancare la velocità di trasporto del fluido e, risentendo
della gravità, precipitano.
Una particella è da considerare separata se raggiunge la base del parallelepipedo prima di
uscire dalla camera. La separazione avviene, quindi, quando il tempo di deposizione Td è
inferiore al tempo di attraversamento Ta.
Tempo di attraversamento: Ta =L
v
Tempo di deposizione: Td =h
u
𝐓𝐝 ≤ 𝐓𝐚 → h
u≤L
v
Dimensionamento di una camera di depolverazione
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La forza resistente FR applicata dal fluido alla particella è data dalla legge di Stokes:
FR = Cr A 𝜌f w2
2
dove:
• w è la velocità relativa della particella rispetto al fluido;
• ρf è la densità del fluido;
• A è la sezione trasversale della particella;
• Cr è un coefficiente calcolabile in funzione di un parametro adimensionale Rs chiamato
numero di Reynolds del solido:
Rs = 𝜌f d w
µf
essendo µf la viscosità dinamica del fluido e d il diametro idraulico della particella solida.
Supponendo che il fluido si muovi di moto laminare nel suo moto relativo alla particella, vale la
relazione:
Cr = 24
Rs
Dimensionamento di una camera di depolverazione
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Nella camera a polvere l’aria è calma in direzione verticale, la
componente u è la velocità di caduta libera (settling velocity).
La forza resistente FR è quindi data dalla relazione:
FR = Cr A 𝜌f w2
2=24
Rs
π d2
4𝜌f u2
2
Poiché questa forza viene vinta dalla forza peso, tenendo conto della spinta idrostatica dovuta
all’immersione della particella di densità ρs nel fluido di densità ρf, si ottiene la velocità di
discesa u, dalla seguente uguaglianza:
24
Rs
π d2
4ρf u2
2=4
3
π d3
8ρs − ρf g
u2 =1
18
d ρs − ρf g
ρfRs =1
18
d ρs − ρf g
ρf ρf d u
µf → 𝐮 =
𝐝𝟐 𝝆𝐬 − 𝝆𝐟 𝐠
𝟏𝟖 µ𝐟
Dimensionamento di una camera di depolverazione
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Perché la particella venga catturata deve essere:
Td ≤ Ta → h
u≤L
v
Introduciamo la portata di fluido Q:
Q = v ∙ h ∙ H
Il valore minimo che la lunghezza della camera L deve assumere perché vengano catturate le
particelle di diametro d o superiore è pari a:
L
QH ∙ h
≥h
u → 𝐋 ≥
𝐐
𝐇 ∙ 𝐮 → 𝐋 ≥
𝟏𝟖 𝐐 µ𝐟𝐝𝟐 𝐇 𝛒𝐬 − 𝛒𝐟 𝐠
Quando le particelle sono molto piccole, anche u è molto ridotta e conseguentemente sono
necessarie camere di notevole ingombro H x L.
Dimensionamento di una camera di depolverazione
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Introduzione
Classificazione normativa di filtri per l’aria
Agenda
Sistemi di separazione
Captazione delle polveri negli ambienti di lavoro
Dimensionamento di una camera di depolverazione
Dimensionamento di un separatore a ciclone
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Separatore a ciclone
Diverse teorie sono state formulate al fine di esprimere matematicamente il diametro minimo
separabile in funzione delle caratteristiche geometriche e di esercizio del ciclone e delle
proprietà della sospensione.
In un vortice ideale vale la relazione v ∙ r = costante, dove v è la velocità tangenziale del gas
misurata al raggio r del vortice. Considerando gli effetti delle perdite per attrito, l’equazione
viene corretta introducendo un esponente n generalmente compreso tra 0,5 e 1 e risulta
v ∙ rn = costante.
Una particella è da considerare separata quando tocca la parete del ciclo. Qui perde energia
cinetica e cade verso il basso per gravità. Più elevata è la velocità, maggiore è la forza
centrifuga che agisce sulle particelle separandola dalla corrente fluida.
Si definisce velocità limite di trasporto (saltation velocity) la velocità sotto la quale una
particella smette di essere trasportata in sospensione fluida omogenea ed inizia a procedere
abbandonando per tempi più o meno lunghi la corrente fluida che la trasporta (urtando, ad
esempio, le pareti del condotto di trasporto).
Se la velocità dei tubi di flusso supera in maniera consistente la saltation velocity vi è il rischio
che una particella già separata venga ripresa in seno alla corrente di trasporto.
Dimensionamento di un separatore a ciclone
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Teoria di Rosin, Rammler e Intelmann (1932)
Si suppone che:
• sia trascurabile la forza peso delle particelle solide rispetto alla forza centrifuga;
• sia applicabile la legge di Stokes nel moto relativo solido-gas;
• le particelle solide siano sferiche e conservino in ogni punto, come componente della propria
velocità, la velocità del vortice in quel punto;
• le particelle solide siano uniformemente ripartite nella corrente fluida e non interferiscano
l’una con l’altra durante il percorso nel ciclone;
• le particelle solide, una volta separate per aver raggiunto la parete del ciclone, non siano
risucchiate dal vortice;
• il fluido conservi nel suo percorso la stessa velocità e la stessa sezione corrispondenti alle
condizioni di ingresso nel ciclone;
• si possano trascurare ai fini della separazione, le componenti verticale e radiale centripeta
della velocità.
Dimensionamento di un separatore a ciclone
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Consideriamo una particella di solido di diametro δ e densità ρs che
si muova a distanza r dall’asse del ciclone con velocità tangenziale
ve (velocità di entrata).
Essa è sottoposta all’azione radiale della forza centrifuga:
FC = mve2
r=4
3πδ
2
3
𝜌sve2
r=π
6δ3𝜌sve2
r
ed incontra la resistenza opposta dal fluido data dalla legge di
Stokes:
FR = Cr π δ2
4𝜌f v𝐬2
2 , Cr =
24
Rs=24 µf𝜌f δ vs
FR = 3 δ π µf vs
avendo indicato con μf la viscosità del fluido e con vs la velocità
radiale della particella.
Dall’uguaglianza delle due espressioni si ricava:
π
6δ3𝜌sve2
r= 3 δ π µf vs → 𝐯𝐬 =
𝐝𝐫
𝐝𝐭=𝜹𝟐𝝆𝒔𝟏𝟖µ𝒇
𝐯𝐞𝟐
𝐫
Dimensionamento di un separatore a ciclone
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Ovvero:
𝐫 𝐝𝐫 =𝛅𝟐𝝆𝐬𝟏𝟖µ𝐟 𝐯𝐞𝟐 𝐝𝐭
Affinché la particella in esame possa raggiungere la parete del
ciclone (r = D/2) e, quindi, con le ipotesi ammesse, essere
considerata separata dal gas, è necessario che essa possa disporre
di un adeguato tempo.
Indichiamo con
t′ =π D
veN
il tempo disponibile (tempo di attraversamento) espresso come
rapporto tra il percorso approssimato πDN e la velocità di ingresso.
Il numero di rivoluzioni N che il vortice riesce a compiere entro il ciclone può essere stimato
considerando la sola parte cilindrica (la parte conica che serve per convogliare il fluido allo
scarico può essere trascurata). Solitamente l’angolo di discesa della traiettoria dopo una
rivoluzione è circa di 15 °.
Dimensionamento di un separatore a ciclone
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Integrando l’espressione 𝐫 𝐝𝐫 =𝛅𝟐𝝆𝐬
𝟏𝟖µ𝐟 𝐯𝐞𝟐 𝐝𝐭 tra r e D/2 e tra 0 e t’,
si ottiene:
𝛅 = 𝟑 ∙
𝐃𝟐 − 𝐫
𝟏𝟐 +𝐫𝐃 µ𝐟
𝛑 𝐯𝐞 𝐍 𝝆𝐬
Considerando che la posizione più sfavorevole è per le particelle in
ingresso alla distanza massima r = D/2 – l dalla parete del ciclone,
ne segue, per il diametro minimo separabile, l’espressione:
𝛅𝐦𝐢𝐧 = 𝟑 ∙𝒍 𝟏 −
𝒍𝐃 µ𝐟
𝛑 𝐯𝐞 𝐍 𝝆𝐬
Vale a dire, mentre le particelle con diametro superiore al valore minimo saranno separate,
quelle con diametro inferiore o uguale saranno solo in parte separate, a seconda della
posizione che hanno in ingresso.
Dimensionamento di un separatore a ciclone
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Teoria di Lapple (anni ‘60)
I risultati forniti dalle precedenti teorie deterministiche risultano approssimati del 70%–100%.
Le precedenti teorie prevedono, inoltre, che tutte le particelle di diametro superiore al diametro
minimo separabile vengano separate con un rendimento del 100% e ciò non risulta aderente
alla realtà.
Per spiegare questo fenomeno fu introdotto da Lapple il concetto di ‘’50% cut diameter’’ (d50). Il
d50 è il diametro delle particelle separate con un rendimento del 50%. Secondo Lapple:
𝐝𝟓𝟎 =𝟗 ∙ µ𝐟 ∙ 𝒍
𝟐 ∙ 𝛑 ∙ 𝐍𝐞𝐯𝐞 ∙ 𝝆𝐬 − 𝝆𝐟
con
𝐍𝐞 =𝟏
𝐡𝐇𝐜 +𝐇− 𝐇𝐜𝟐
Dimensionamento di un separatore a ciclone
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Rendimento di separazione
Successivamente si stabilì per cicloni simili, un diagramma che riporta in ascissa il rapporto
𝛅/𝐝𝟓𝟎 , con δ diametro della generica particella, e, in ordinata, il rendimento di separazione
relativo. Tale curva, come suggerito da Theodore e De Paola, può essere rappresentata con
l’equazione
𝛈𝐢 =𝟏
𝟏 +𝐝𝟓𝟎 𝛅𝐢
𝟐
essendo δi il diametro (eventualmente medio) delle particelle cui si intende riferito ηi.
Il rendimento totale della separazione risulta essere:
𝜼 = 𝛈𝐢 𝐦𝐢
𝐧
𝐢=𝟏
con 𝐦𝐢 = 𝐀𝐢/𝐀, rapporto fra la massa delle particelle aventi diametro (medio) δi e la massa
totale.
Dimensionamento di un separatore a ciclone
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Saltation velocity
Kalen e Zenz, osservando che il rendimento di separazione poteva diminuire, definite le altre
condizioni operative, all’aumentare della velocità di ingresso del fluido nel ciclone, introdussero
il concetto di saltation velocity nel ciclone, ovvero la minima velocità che deve avere il fluido
affinché non si verifichi la sedimentazione della particella in esso sospesa.
Per concentrazioni di solido fino a 22 − 23𝑔
𝑚3𝑎𝑟𝑖𝑎 la velocità limite di separazione vls è data da:
v𝑙s = 5,408 ∙g ∙ µf ∙ 𝜌s − 𝜌f ∙ 𝑙/D
1,2
1 − 𝑙/D
0,5D0,1 ∙ ve𝜌f
2/3
Per avere alte efficienze di separazione, il valore
ottimo del rapporto 𝐯𝐞/𝐯𝒍𝐬, tenendo conto di opportuni
coefficienti correttivi ft e fρ, risulta essere:
vev𝑙s= 1,25 ∙ ft ∙ fρ
Dimensionamento di un separatore a ciclone
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Dimensionamento
Nota la portata Q di gas, la velocità di ingresso ve
è data da:
ve =Q
h 𝑙
ovvero, posto Kh𝑙 = h D ∙ 𝑙 D ,
ve =Q
Kh𝑙D2
da cui
D =Q
ve Kh𝑙
0,5
Si sceglie, quindi, la configurazione più opportuna in base ai dati delle tabelle I e II, rimanendo, così, fissato
il valore di Khl.
Dimensionamento di un separatore a ciclone
Il dimensionamento del diametro del separatore a ciclone segue di conseguenza un metodo iterativo: infatti
per ottenere alte efficienze di separazione la velocità 𝑣𝑒, che appare nel calcolo di D, è legata alla saltation
velocity 𝑣𝑠, che dipende, a sua volta, dal diametro del ciclone.
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Combinando le seguenti equazioni (1) e (2), noti f, ρ, ρf ed il valore ottimale di ve/vls (3), si
ottiene ve, da cui, tramite la (1), si ottiene il diametro D del ciclone. Il calcolo procede fino alla
convergenza della soluzione. Trovato il diametro si possono ottenere le altre dimensioni in base
ai dati della tabella I.
D =Q
ve Kh𝑙
0,5 (1)
v𝑙s = 5,408 ∙g∙µf∙ 𝜌s−𝜌f ∙ 𝑙/D
1,2
1−𝑙/D
0,5D0,1∙ve
𝜌f
2/3
(2)
ve
v𝑙s
= 1,25 ∙ ft ∙ fρ (3)
Il procedimento da seguire è quindi iterativo
Per calcolare il rendimento η di separazione, occorre calcolare d50 con le equazione già viste (3)
e (4):
d50 =9∙µf∙𝑙
2∙π∙Neve∙ ρs−ρf (3)
Ne =1
hHc +
H−Hc
2 (4)
Dimensionamento di un separatore a ciclone
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Si calcola quindi per ogni δi il relativo ηi, in base alla (6), da cui, conoscendo la composizione
del solido in sospensione (riferendosi eventualmente a diametri δi medi), si calcolano i rapporti
δi = Ai /A, ovvero η tramite la (7):
ηi =1
1+d50 δi
2 (6)
η = ηi mini=1 (7)
In alternativa, quando la concentrazione di solido fosse superiore a 22 − 23𝑔
𝑚3𝑎𝑟𝑖𝑎, ancorché un
incremento della concentrazione corrisponda a più altri valori di η, si può procedere ricavando il
valore di η richiesto, nota la composizione del solido in sospensione, per valori di tentativo
attribuiti a d50. Noto dalla (6) e dalla (7) il valore d50 che fornisce il valore η richiesto, scelta la
configurazione più opportuna in base alle tabelle I e II, dalla (3) risulta:
ve =9 ∙ ∙ K𝑙 ∙ D
2 ∙ π ∙ Ne ∙ ρs − ρf∙1
d502 =
Q
Kh𝑙 D2 , con K𝑙 = 𝑙 D
da cui: D =Q d502 2 π Ne ρs − ρf9 𝑙 Kh𝑙K𝑙
0,5
Ne si ricava in base alla (4) ed ai valori riportati nella tabella (I).
Dimensionamento di un separatore a ciclone
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Introduzione
Classificazione normativa di filtri per l’aria
Agenda
Sistemi di separazione
Captazione delle polveri negli ambienti di lavoro
Dimensionamento di una camera di depolverazione
Dimensionamento di un separatore a ciclone
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La captazione delle polveri negli ambienti di lavoro riveste importanza notevole in qualunque
complesso industriale, perché in genere non vi è operazione tecnologica che non dia luogo a
dispersione nell’ambiente di particelle più o meno minute del materiale di lavorazione e di altri
usati per la lavorazione. Esiste una complessa normativa che considera i valori delle
concentrazioni massime ammissibili in determinati luoghi ed i valori limiti ponderati cui gli
operatori possono essere esposti in linea di massima.
È inoltre da sottolineare l’importanza che riveste l’adozione di adeguate misure antincendio
qualora si abbia a che fare con polveri infiammabili o esplosive.
Un impianto di captazione di polveri è di solito un impianto di trasporto pneumatico aspirato
dove al posto delle bocche di aspirazione troviamo prese d’aria potenziate da cuffie, cappe,
cabine, banchi e involucri vari, disposti opportunamente attorno alla zona di produzione delle
polveri.
Quando la fonte delle polveri è costituita da un utensile rotativo come in fig.34 (mola smeriglio,
spazzola rotante, …) si utilizza una cuffia (c) che circonda l’utensile e convoglia l’aria e le
polveri alla tubazione di aspirazione proteggendo la zona attorno e l’operatore. Con un setto (S)
si riduce l’emissione di polveri fini ed esiste una camera inferiore (C) in cui cadono le particelle
di maggiori dimensioni.
Captazione delle polveri negli ambienti di lavoro
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Lo schema di fig.35 mostra l’utilizzazione di due cuffie in parallelo per la raccolta delle inevitabili
polveri che si hanno allo scarico di un nastro trasportatore (N) ed all’uscita della sottostante
tramoggia (T) che serve ad insaccare il materiale incoerente.
Quando l’emissione delle polveri non avviene da una sorgente concentrata, in luogo delle cuffie
si utilizzano cappe di aspirazione di varia forma. A volte la cappa è posta lateralmente al piano
della lavorazione (fig.36) in maniera fissa o con possibilità di spostamento per mezzo di bracci
articolati e condotti flessibili (fig.37).
Quando il condotto di aspirazione deve risultare ad asse parallelo al piano della bocca di
captazione (fig.38) è preferibile che questa sia costituita da numerose feritoie e che la parete
posteriore della cappa sia inclinata in modo da dare luogo ad un condotto a sezione crescente
fino al raccordo cn la tubazione di aspirazione.
Per certe lavorazioni (come nella saldatura) può risultare conveniente l’adozione di banchi
aspiranti (fig.39) Questi presentano un banco di lavoro costituito da un grigliato (G) sostenuto
da un cassone (C) ove si depositano le particelle più pesanti, dal quale viene aspirata l’aria.
L’adozione si schermi (S) aiuta a delimitare meglio zona di lavoro.
Per meglio evitare la diffusione delle polveri si può infine isolare il processo in cabine aspiranti
(fig.40). Sono particolarmente adatte a processi automatizzati (es: verniciatura) e possono
essere muniti di setti per una omogenea distribuzione dell’aria nell’ambiente.
Captazione delle polveri negli ambienti di lavoro
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Nello studio di tali dispositivi si fa spesso riferimento a
diagrammi che consentono di conoscere il vettore velocità
dell’aria in un punto generico della zona attorno alla presa
d’aria e determinare la superficie di contorno per cui le
particelle vengono aspirate.
Sul diagramma sono fornite le linee di flusso F (traiettorie
delle particelle) e le superfici di contorno S (sulle quali la
velocità è costante in modulo e tangente alle linee di flusso)
nell’intorno di un tubo aspirante a sezione circolare di raggio
R e in funzione delle distanze: x dalla presa ed r dall’asse
della stessa.
Sul diagramma sono anche riportati i coefficienti di velocità C /C0 relativi alle velocità dell’aria
nell’intorno della presa essendo C0 la velocità media sulla sezione della presa stessa.
Data la simmetria della tubazione, il diagramma è lo stesso qualunque sia il piano assiale
considerato. Se la presa non è assialsimmetrica, per descrivere il moto dell’aria attorno
occorrono più diagrammi riferiti ai diversi piani di simmetria.
In genere, in una presa quadrata l’attenuazione frontale è minore di una presa circolare ma
maggiore rispetto ad una presa rettangolare.
Captazione delle polveri negli ambienti di lavoro