Il gruppo aerotermico comprende la sorgente di calore (bruciatore e forno) e la sorgente d’aria in pressione (ventilatore).
Il bruciatore è generalmente del tipo a due stadi, nel senso che la seconda fiamma viene accesa con l’intervento di un opportuno termostato allorquando la prima è insufficiente a mantenere la temperatura dell’aria calda all’entrata nell’essiccatoio al livello prestabilito. Il forno deve sopportare temperature dell’ordine dei 1000 °C ed è dimensionato sulla base di 1 m3 per 837.000 kJ/h (= 200.000 kcal/h) di potenza termica, è talora rivestito all’interno di materiale refrattario e impiega acciai inossidabili nel caso di utilizzo di combustibili contenenti zolfo.
A seconda di come avviene il riscaldamento dell’aria si distingue in gruppo a riscaldamento diretto e indiretto.
5.1.1. Riscaldamento diretto
Nei gruppi aerotermici a riscaldamento diretto, o a fuoco diretto, i gas della combustione, opportunamente miscelati con l’aria ambiente per ridurne la temperatura, vengono aspirati dal ventilatore e introdotti all’interno della massa di granella da essiccare.
Le indicazioni segnalano: 1, bruciatore; 2, ingresso aria ambiente; 3, fiamma; 4, prodotti della combustione miscelati con l’aria ambiente; 5, camera di combustione; 6, ventilatore centrifugo.
In questo caso è della massima importanza disporre di bruciatori ben regolati e in grado di garantire la perfetta combustione del combustibile, che deve essere solamente gas liquido o gasolio con una bassa percentuale di zolfo, inferiore all’1%. Con queste precauzioni, per gli impianti di essiccazione del mais, è senz’altro consigliabile il riscaldamento dell’aria a fuoco diretto, che non provoca pericoli di inquinamento della granella e consente al gruppo aerotermico un rendimento molto elevato (ηf = 0,95-0,98), essendo le perdite di calore limitate al solo irraggiamento attraverso le pareti del forno, del ventilatore e dei condotti.
5.1.2. Riscaldamento indiretto
Nei gruppi aerotermici a riscaldamento indiretto invece l’aria ambiente, anziché essere miscelata con i prodotti della combustione, viene fatta passare attraverso uno scambiatore di calore a fascio di tubi all’interno dei quali circolano i fumi. La superficie di scambio viene dimensionata sulla base di 1 m2 per 42.000 kJ/h (= 10.000 kcal/h) e la sua presenza richiede notevoli costi di manutenzione in modo da limitare le perdite di calore.
Figura 14: Schema di un generatore d'aria calda a fuoco indiretto con un percorso di andata e ritorno dell'aria all'interno dello scambiatore di calore
Le indicazioni segnalano: 1, bruciatore; 2, fiamma; 3, entrata aria ambiente, 4, uscita aria calda; 5, ventilatore centrifugo; 6, ventilatore assiale di estrazione dei fumi; 7, camino.
In questo caso il rendimento del gruppo è sensibilmente inferiore rispetto al fuoco diretto (ηf = 0,85-0,90), a causa delle perdite di calore dovute ai gas che fuoriescono
dal camino del forno. Il riscaldamento indiretto comporta, pertanto, una maggiore spesa di esercizio rispetto a quello a fuoco diretto.
I due tipi di riscaldamento a confronto
Il riscaldamento diretto risulta più economico sia nell’installazione (10-15% in meno sul costo del corpo essiccante) che nel funzionamento per il rendimento termico più elevato (0,95-0,98 contro 0,85-0,90 dello scambiatore); richiede, tuttavia, maggiore cura per garantire una perfetta combustione, anche sotto l’aspetto della salubrità dell’ambiente. Ovviamente il suo impiego non sarebbe certamente consigliabile nel caso di prodotto destinato all’alimentazione umana, in quanto si verificherebbero delle alterazioni nelle proprietà organolettiche.
5.1.3. Combustibili usati
Come combustibili vengono generalmente impiegati il gasolio e l’olio combustibile; quest’ultimo è disponibile ad un prezzo inferiore, presenta tuttavia una minore regolarità di funzionamento con depositi e incrostazioni di residui incombusti.
Nel riscaldamento indiretto si fa di solito ricorso all’olio combustibile, il che consente una economia che compensa il minore rendimento rispetto al fuoco diretto. In alcuni impianti, poi, viene impiegato gas liquido (butano) e in fase gassosa (butano, propano o gas naturale) che è caratterizzato, oltre che da una semplificazione dell’apparato di combustione, dall’assenza di incombusti solidi; per tale motivo è particolarmente indicato nel riscaldamento diretto, anche se per il deposito sono necessari grossi serbatoi in pressione.
Anche gli impianti di essiccazione sono stati oggetto in questi ultimi tempi di prove in ordine alla possibilità di impiego di combustibili alternativi meno costosi, in considerazione soprattutto del fatto che la fase di essiccazione in termini energetici incide con circa il 60% nella produzione del mais.
5.1.4. Sistema di circolazione dell’aria calda
Oltre alla usuale realizzazione con fluido in pressione a mezzo ventilatore centrifugo localizzato a valle del forno, esiste la possibilità negli impianti a colonna ermeticamente chiusi, della soluzione in depressione con ventilatore centrifugo o assiale installato in corrispondenza dell’uscita dell’aria umida, ovvero alla sommità anziché alla base della colonna.
5.1.5. Dimensionamento del gruppo aerotermico
Nel dimensionamento del gruppo termico va ricordato che il calore specifico dell’aria 5 può essere definito dalla relazione di Mollier:
Cs = (0,24 + 0,46X0) • γa [kcal/m3 °C] Dove:
X0 = umidità assoluta dell’aria ambiente;
γa = densità dell’aria alla temperatura ambiente.
Il calore specifico dell’aria, in via approssimativa e per le condizioni ambientali normali delle zone climatiche italiane, si può considerare pari a Cs = 0,3 kcal/(m3 °C). Ne consegue che la potenzialità termica oraria del bruciatore dovrà risultare:
Wh = (0,3 • ∆t • V) / ηf [kcal/h]
Dove:
∆t = t1 – t0 = gradiente termico del riscaldamento;
V = portata del ventilatore alla temperatura ambiente, in m3/h;
ηf = rendimento del bruciatore.
Nella maggior parte degli impianti di essiccazione dei cereali si utilizzano ventilatori di tipo centrifugo data la necessità di disporre di elevate pressioni di esercizio.
La potenza assorbita per la ventilazione può essere calcolata con la relazione:
E = (V • H) / (3600 • 102 • η) [kW]
Dove:
V = portata del ventilatore, in m3/h;
H = pressione totale d’esercizio in mm di colonna d’acqua;
η = rendimento meccanico del ventilatore (0,4-0,6).
Per una razionale scelta ed impiego dei ventilatori è dunque della massima importanza conoscere le loro curve caratteristiche, che forniscono le variazioni di pressione, potenza e rendimento al variare della portata.
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Calore specifico dell’aria: le kcal necessarie per far aumentare di 1°C la temperatura di un m3 d’aria.