Dimensioni del differitore nella settling chamber 7.4.1
La sezione scelta, come indicato al paragrafo 7.1, è la settling chamber di cui vengono riportate le dimensioni in base i dati della ECO-D Environmental Systems S.r.l [39] dell’impianto considerato. Tabella 17 - Dimensioni settling chamber. Fonte: [39].
lunghezza L m 10
altezza H m 5,5
larghezza B m 4
La zona evidenziata in rosso in Figura 88 rappresenta lo spazio utile per l’installazione dell’apparato di calmierazione, le cui dimensioni sono di seguito riportate.
Tabella 18 - Dimensioni del differitore termico inerziale.
lunghezza l m 4
larghezza b m 4
superficie A m2 16
Struttura e modello del differitore 7.4.2
Figura 89 - Struttura del differitore proposta all’interno della settling chamber.
Nel seguito viene descritta la struttura di base ipotizzata per il differitore e indagata nelle successive simulazioni termofluidodinamiche:
• La tipologia del differitore scelta è quella di tubi di forma cilindrica; tale forma viene scelta per diversi motivi:
• presenta maggiori superfici di scambio rispetto ad altre configurazioni;
• questo porta a un’ottimizzazione del processo sia dal punto di vista dell’efficienza di recupero, sia da quello economico;
• non presenta spigoli vivi, frequente causa di rottura e formazione di cricche, né insenature o concavità, sedi di incrostazioni e accumuli di materiale;
• come conseguenza, l’eventuale pulizia dell’apparato (effettuata per esempio mediante vibratori azionati manualmente o automaticamente) ne risulta facilitata.
• I tubi sono sigillati ermeticamente per impedire la fuoriuscita del materiale; in realtà è previsto un foro sulla parte superiore del tubo per consentire la fuoriuscita e l’entrata dell’aria durante la fase di espansione e contrazione del PCM per evitare eccessive pressioni interne.
• I tubi sono riempiti fino al 90% con il PCM; il restante 10% viene lasciato vuoto per consentire la libera espansione/contrazione dell’alluminio durante le fasi “calde”/”fredde”.
• Come anticipato al 7.1, l’ambiente in cui viene inserito l’apparato presenta numerose criticità, tra cui le alte temperature. Il materiale scelto per la realizzazione dei tubi di contenimento del PCM deve essere caratterizzato da:
• un’elevata resistenza termica: le caratteristiche chimico-fisiche del materiale devono rimanere invariate durante il processo in modo da evitare eventuali rotture con fuoriuscita del PCM; • una temperatura di fusione maggiore di quella massima raggiunta dagli off-gas;
• una elevata conducibilità termica e bassa reattività chimica con il materiale contenuto per rendere possibile la fusione e la solidificazione del PCM senza interferire nel processo.
170
La scelta del materiale di contenimento ricade sull’acciaio inossidabile di tipo austenitico37, anche se molti sono i materiali che potrebbero essere utilizzati, primo tra tutti il rame. Questo tipo di acciaio viene scelto per la grande resistenza all’ossidazione e alla corrosione e per la resistenza meccanica alle alte temperature.
Nel caso in questione si prevede l’utilizzo di acciaio AISI 316 di diametro 60 mm e spessore 4 mm.
Al paragrafo 7.6.1 si riportano i risultati di un’analisi delle tensioni e delle deformazioni in un tubo contenente un nucleo di PCM (alluminio) e soggetto a variazioni termiche, le criticità e le ipotesi/soluzioni proposte.
Figura 90 - Riduzione del carico di snervamento per acciai inossidabili austenitici (304-316) confrontati con l'acciaio al carbonio secondo l'eurocodice 3 parte 1.2. Fonte: [64].
Figura 91 - Proprietà a caldo di alcuni acciai inox della serie 300, valutate a 10000 h di esposizione alla temperatura: a) carico di rottura; b) carico capace di causare uno scorrimento dell’1%. Fonte: [65].
37 Gli acciai inossidabili austenitici sono gli acciai inossidabili più comuni e hanno un tenore di carbonio inferiore allo 0,1%. Il cromo invece può variare tra il 18% e il 25% e il nichel dall'8% al 20%.
• Nel fondo del tubi è previsto l’inserimento di un tondo di materiale isolante (15 mm circa) per ridurre il surriscaldamento e possibili corrosioni del contenitore.
• Un’altra criticità della settling chamber è legata allo sporcamento da parte delle polveri dei fumi che potrebbero intasare l’apparato e ridurne l’effetto calmierante. I tubi vengono quindi opportunamente distanziati per ovviare al problema. Tuttavia deve essere definito il passo ottimo che permette di sfruttare al meglio gli spazi disponibili senza incorrere in problemi di sporcamento: infatti
• se il passo è eccessivamente ridotto si ha una diminuzione dell’effetto calmierante a causa dello sporcamento;
• maggiore invece è il passo tra i tubi, minore è lo sfruttamento dell’energia termica dei fumi e dello spazio disponibile nella settling chamber.
• I tubi sono liberi di oscillare in modo da:
• garantire una certa flessibilità strutturale prevenendo eventuali rotture e distorsioni;
• permettere la libera caduta del materiale intercettato: le polveri e le ceneri in eccesso che si accumulano sulle pareti dei tubi possono scivolare e cadere senza provocare corrosioni di altre parti del sistema.
• La lunghezza dei tubi è calcolata in base alle dimensioni della settling chamber: avendo questa un’altezza di 5 m, i tubi non dovrebbero essere lunghi più di 3 m: bisogna infatti permettere il passaggio dei mezzi di estrazione polveri che possono raggiungere anche altezze di 2 m (vedi Figura 89).
• Si sono considerati tubi da ¾”, da 1” e da 2”.
• La struttura di sollevamento dei tubi viene concepita con travi IPE 120 di adeguata lunghezza: ogni trave prevede dei ganci di sollevamento posizionati nella parte superiore con cui sollevare una fila di “n” tubi; nella parte inferiore invece vengono avviatati i tubi lasciati liberi di oscillare. Questa configurazione premette una facile manutenzione dell’apparato: i tubi sollevati possono essere facilmente trasportati, puliti e sostituiti in caso di rottura dato che possono essere svitati uno ad uno. Mediante questo sistema di sollevamento, si compie anche un’azione autopulente dei tubi: nel momento in cui essi vengono sollevati parte delle polveri depositate sulle pareti in seguito al passaggio degli off-gas viene eliminata per raschiamento38.
• La struttura di supporto dei tubi prevede una piastra forata in acciaio di adeguate dimensioni supportata da travi IPE 300 di opportuna lunghezza. Nella parte inferiore della piastra sono saldati dei tubi di adeguata altezza che costituiscono la sede dei tubi contenenti il PCM. È opportuno che ci sia un certo gioco tra le sedi e i tubi stessi per permettere eventuali dilatazioni e per garantire
38 Nell’Allegato 3 viene descritto in dettaglio un possibile modello realizzativo dell’apparato, della struttura di sollevamento e quella di supporto concepiti per la configurazione del differitore delle simulazioni del capitolo 8, paragrafo 8.2: tubi allineati da 2” e 3,4 m di altezza, 841 tubi, disposti in file di 29, con passo pari a 130 mm.
172
sempre la corretta estrazione degli stessi. Gli spazi tra le sedi dei tubi vengono riempiti con del materiale refrattario in modo tale che la piastra forata non sia a diretto contatto con i fumi: in questo modo si preserva la piastra dalle alte temperature e dall’azione corrosiva dei fumi. Il materiale refrattario ha un’ulteriore funzione, quella di proteggere la parte vuota dei tubi dai fumi. In questo modo si evitano eventuali fusioni della parte superiore dei tubi stessi.
Per evitare possibili inflessioni della struttura e garantirne la tenuta, sulla parte superiore della piastra forata vengono saldate delle piastre sia nella direzione longitudinale, sia in quella trasversale.
L’intera struttura è progettata in modo da garantire la massima semplicità costruttiva e di inserimento nella settling chamber. Le travi IPE, su cui poggia la piastra forata, vengono appoggiate direttamente sul tetto della camera di sedimentazione, unica parte a dover essere opportunamente modificata per l’inserimento dell’apparato39.
Figura 92 - Modello realizzativo apparato: 1. tubo; 2. tondo con materiale isolante; 3. lama di sollevamento; 4. struttura di supporto; 5. materiale refrattario; 6. bullone; 7. PCM (alluminio).
39 Nell’Allegato 3 viene descritto in dettaglio un possibile modello realizzativo dell’apparato, della struttura di sollevamento e quella di supporto concepiti per la configurazione del differitore delle simulazioni del capitolo 8, paragrafo 8.2: tubi allineati da 2” e 3,4 m di altezza, 841 tubi, disposti in file di 29, con passo pari a 130 mm.
Dimensionamento del differitore 7.4.3
Stimata la quantità e il volume di PCM da inserire nell’apparato per la calmierazione, si procede al dimensionamento del differitore termico inerziale.
Il volume del singolo tubo d’acciaio è esprimibile mediante la relazione:
(23) 𝑉𝑡=𝜋𝐷4 ∙ ℎ𝑖2
con:
• 𝐷𝑖 diametro [m];
• ℎ altezza della singola tubazione [m].
Il numero di tubi necessario per contenere il PCM si ottiene dal rapporto tra volume di PCM richiesto dall’apparato e quello di un singolo tubo:
(24) 𝑁 =𝑉𝑉𝑙
𝑡
Prendendo in considerazione tubi da 2” e 3 m di altezza40, vengono riportati i valori ottenuti per l’alluminio e per il piombo in Tabella 19.
Tabella 19 - Volume del singolo tubo da 2” e numero totale di tubi del differitore nei casi di Al e Pb come PCM.
Simbolo U misura Al Pb
Volume richiesto
Vl m³ 16,87 62,67
Volume singolo tubo Vt m³ 0,0069 0,0069
Numero totale tubi N - 2428 9021
Si nota che, a parità di volume, il numero di tubi necessari per contenere l’alluminio risulta minore rispetto al piombo. Un minor numero di tubi comporta minori costi dell’apparato e la possibilità di utilizzare un passo maggiore tra i tubi prevenendo eventuali problemi legati allo sporcamento
174