5. 1 Introduzione
Nella seconda parte di questo lavoro di tesi, l’attenzione è stata rivolta verso un nuovo tipo di fibra di vetro, i materassini. Questi sono caratterizzati da un diametro della fibra minore rispetto a quello usato per la fibra di vetro a filo e per questo potrebbero risultare molto efficienti nella rimozione delle particelle più piccole, nonostante abbiano densità molto basse. Tali densità ridotte, inoltre, permettono di avere basse perdite di carico.
I materassini si presentano sotto forma di veli, hanno una consistenza molto soffice e la possibilità di essere compressi durante il loro avvolgimento. Quanto più si comprimono, tanto maggiori saranno le perdite di carico e di conseguenza anche le efficienze.
Avendo a disposizioni i dati del costruttore, relativi a densità, spessore dei veli e diametro delle fibre, è stato possibile utilizzare il modello, sviluppato precedentemente, per prevederne le prestazioni.
Un’altra importante caratteristica, legata al fatto che sono disponibili sotto forma di veli, è la possibilità di poter assemblare questi materassini in una configurazione non piana: in questo modo aumenta di molto la superficie e di conseguenza la velocità di attraversamento diminuisce, favorendo così il meccanismo di rimozione per diffusione browniana.
5. 2 Filtro L
Il punto di partenza è stato quello di testare una candela costituita esclusivamente dal materassino (Filtro L), per valutare le caratteristiche di tale mezzo, indipendentemente da qualsiasi altro parametro.
È stato necessario scegliere la densità di impacchettamento, con l’obiettivo di trovare un compromesso tra perdite di carico e efficienza di rimozione: si è quindi utilizzato il modello per prevedere il comportamento del filtro L a diverse densità, in particolare:
- Densità del materassino da catalogo, senza cioè comprimerlo durante l’avvolgimento; - Densità pari alla metà di quella del filtro E;
105
- Densità pari a un terzo di quella del filtro E; - Densità pari a un quarto di quella del filtro E.
È logico aspettarsi che all’aumentare della densità, aumentano sia le perdite di carico che l’efficienza, ma non è scontato sapere come variano in riferimento al filtro E, dato che le fibre di vetro ora hanno diametro molto minore.
I risultati ottenuti dal modello vengono riportati nelle figure seguenti.
Figura 5.1: Confronto tra le perdite di carico del filtro L al variare della densità di impacchettamento
Appare subito evidente che utilizzare una densità pari alla metà di quella del filtro E è sconveniente, perché comporta un notevole aumento delle perdite di carico.
Analogamente utilizzare la densità del catalogo, ovvero non comprimere affatto gli strati durante il loro avvolgimento, comporta una diminuzione eccessiva delle perdite di carico, cui corrisponderà inevitabilmente una netta riduzione dell’efficienza di rimozione. Quanto appena detto è confermato dalle Figura 5.2 e Figura 5.3.
106
Figura 5.2: Confronto tra le efficienze dei filtri E e L (densità da catalogo)
Figura 5.3: Confronto tra le efficienze dei filtri E e L (densità pari alla metà di quella del filtro E)
Per quanto riguarda le densità intermedie, si ha, con entrambe, un guadagno sulle perdite di carico, e, da quanto si può notare dalle Figura 5.4 e Figura 5.5, anche sull’efficienza di rimozione. Il risultato, quindi, in entrambi i casi, è una candela con prestazioni migliorate sia dal punto di vista delle efficienze che delle perdite di carico.
Riducendo la densità a solo un terzo di quella del filtro E, il guadagno sulle perdite di carico è del 35%, mentre arrivando a un quarto, il guadagno è del 64%.
Al contrario, nel primo caso, il miglioramento sull’efficienza è del 2% circa, mentre nel secondo è minore dell’1%.
107
Figura 5.4: Confronto tra le efficienze dei filtri E e L (densità pari a un terzo di quella del filtro E)
Figura 5.5: Confronto tra le efficienze dei filtri E e L (densità pari a un quarto di quella del filtro E)
Al termine di questa analisi, si sceglie di costruire la candela con densità pari a un quarto di quella del filtro E, date le sue basse perdite di carico.
Una volta scelta la densità, si è potuto calcolare la massa di materassino necessaria al raggiungimento di suddetta densità nel volume della candela.
A livello costruttivo però sono state riscontrate alcune difficoltà. Durante l’avvolgimento manuale del materassino intorno alla gabbia interna, è stato complicato imprimere la compressione desiderata e mantenerla tale durante l’operazione. Il risultato è stato che non si è raggiunto lo spessore di 2’’, ma uno spessore inferiore, a causa quindi di una maggiore compressione rispetto a quella teorica.
108
La densità raggiunta è risultata infatti pari al 36% di quella del filtro E.
Dal confronto teorico con il filtro E (Figura 5.6), si ottiene un guadagno del 33% circa sulle perdite di carico e un aumento di efficienza poco inferiore al 2%.
Figura 5.6: Confronto tra le efficienze dei filtri E e L (densità reale)
Nonostante la densità reale del filtro L sia maggiore di un terzo di quella del filtro E, le curve di efficienza risultano più basse rispetto a quelle di Figura 5.4, perché c’è da ricordare che lo spessore di filtrazione ora è minore. Le perdite di carico, invece, nonostante lo spessore minore, risultano poco più alte a causa della densità maggiore.
Il passaggio successivo è stato il test sperimentale su questo filtro e se ne riportano di seguito i risultati.
Tabella 5.1: Descrizione della Candela L reale
CANDELA L
Fibra di vetro Materassino (Df 5m)
Densità di impacchettamento Letto 36%Filtro_E
Spessore di filtrazione < 2’’
Efficienza per dp=0.3 μm @ 20 ft/min 99.3 %
109
Figura 5.7: Efficienza di rimozione del Filtro L
Tabella 5.2: Confronto tra le perdite di carico del filtro E e L
Velocità di filtrazione [ft/min] ΔP Filtro E [mmH2O] ΔP Filtro L [mmH2O]
7.5 38 18
20 84 55
30 126 92
40 172 133
Infine, si riporta il confronto tra i dati sperimentali e quelli previsti dal modello; ancora una volta si ottiene una buona previsione delle prestazioni: l’errore che si commette sulle perdite di carico è poco più del 10%, mentre sulle efficienze risulta circa trascurabile.
96% 98% 100% 0 1 2 E ff ic e n z a d i r im o z io n e [ %] Dimensione particelle [μm]
FILTRO L - Efficienza di rimozione a 35 mg/m3 di olio
110
Figura 5.8: Efficienze di rimozione del filtro L: confronto tra il modello e i dati sperimentali
Figura 5.9: Perdite di carico del filtro L, modellate e sperimentali, confrontate con il filtro E
Il filtro L è nato con l’idea di testare il comportamento di questo nuovo tipo di fibra di vetro; nonostante abbia dato ottimi risultati, non è stato verificato un aspetto fondamentale: la sua capacità drenante. Fibre di diametro così piccolo, infatti, potrebbero compromettere il suo funzionamento a regime, riducendo drasticamente la capacità drenante del mezzo.
111
Tale candela quindi deve essere ulteriormente testata, in particolare è necessario valutare le sue prestazioni in condizioni sature e questo sarà sicuramente oggetto di future attività di ricerca.
Per ovviare ad eventuali problemi di drenaggio, si è pensato di combinare tali materassini con la fibra di vetro a filo: questa è la base su cui sono state costruite le successive candele.
Al termine della sperimentazione sulle candele costituite dalla fibra di vetro a filo, si è raggiunto un buon compromesso tra efficienza di rimozione e perdite di carico con le candele a strati: in particolare, il filtro K, ha combinato gli effetti di sgrossatura e di buona capacità drenante, attraverso i due strati di fibra lasca, sull’interno e sull’esterno, garantendo allo stesso tempo un’efficienza piuttosto alta, attraverso lo strato intermedio di fibra più fine.
Si è quindi deciso si aggiungere uno strato di materassino alla candela K; in particolare, sfruttando l’idea di aumentare l’efficienza dall’ingresso verso l’uscita del gas, il materassino è stato posizionato dopo lo strato di fibra fine, prima dell’ultimo strato di fibra più lasca.
Le candele M, N e O sono state costruite secondo questo principio.
5. 3 Filtro M
Per valutare l’effettivo aumento della capacità filtrante a seguito dell’assemblaggio in una configurazione non piana si è deciso di testare, prima, una candela con lo stesso numero di veli di materassino, ma semplicemente avvolti intorno allo strato interno di fibra lasca (Candela M).
Tabella 5.3: Descrizione della Candela M
CANDELA M
Fibra di vetro
m
Df 513 (Fornitore 2) Strato Esterno
m
Df 513 (Forn. 1) Strato Intermedio
Materassino Df 5m
m
Df 513 (Fornitore 2) Strato Interno
Modalità di avvolgimento Parallela
Densità di impacchettamento _ 200 3 m kg Filo Fibra E Filtro o Materassin 36% _
Spessore di filtrazione 0.5’’ + 1’’ + 4 veli + 0.5’’ Efficienza per dp=0.3 μm @ 20 ft/min 96.6 %
112
Figura 5.10: Efficienza di rimozione del Filtro M
Tabella 5.4: Confronto tra le perdite di carico del filtro E, K e M
Velocità di filtrazione [ft/min] ΔP Filtro E [mmH2O] ΔP Filtro K [mmH2O] ΔP Filtro M [mmH2O] 7.5 38 20 17 20 84 57 58 30 126 90 88 40 172 129 130
Le efficienze risultano sempre peggiori del filtro E, ma migliorate rispetto al filtro K; le perdite di carico, invece, risultano del tutto analoghe a quelle del filtro K, a dimostrazione che lo strato di materassino non contribuisce significativamente all’aumento di queste.
Lo strato di materassino quindi aumenta effettivamente l’efficienza di rimozione senza penalizzare le perdite di carico.
Per la modellazione di questo filtro, si usano, per lo strato di materassino, le informazioni ottenute dallo studio del filtro L.
I confronti tra i dati sperimentali e i risultati ottenuti dal modello si riportano nelle figure seguenti (Figura 5.11 e Figura 5.12).
Anche in questo caso il modello fornisce una buona predizione delle prestazioni del filtro. 90% 95% 100% 0 1 2 E ff ic e n z a d i r im o z io n e [ %] Dimensione particelle [mm]
FILTRO M - Efficienza di rimozione a 35 mg/m3 di olio
113
Figura 5.11: Efficienze di rimozione del filtro M: confronto tra il modello e i dati sperimentali
Figura 5.12: Perdite di carico del filtro M, modellate e sperimentali, confrontate con il filtro E
5. 4 Filtro N
Per tentare di ridurre le perdite di carico, senza penalizzare l’efficienza di rimozione, si è deciso di sostituire 0.5’’ dello strato intermedio di fibra più fine, con uno strato di materassino
114
dello stesso spessore (Candela N); in questo modo le perdite di carico dovrebbero diminuire e l’efficienza aumentare o almeno restare invariata.
Le caratteristiche del filtro N vengono riportate in Tabella 5.5.
Tabella 5.5: Descrizione della Candela N
CANDELA N
Fibra di vetro
m
Df 513 (Fornitore 2) Strato Esterno
m
Df 513 (Forn. 1) Strato Intermedio
Materassino Df 5m
m
Df 513 (Fornitore 2) Strato Interno
Modalità di avvolgimento Parallela
Densità di impacchettamento _ 200 3 m kg Filo Fibra E Filtro o Materassin 36% _ Spessore di filtrazione 0.5’’ + 0.5’’ + 0.5’’ + 0.5’’ Efficienza per dp=0.3 μm @ 20 ft/min 97 %
ΔP @ 20 ft/min 55 mmH2O
Figura 5.13: Efficienza di rimozione del Filtro N
90% 95% 100% 0 1 2 E ff ic e n z a d i r im o z io n e [ %] Dimensione particelle [μm]
FILTRO N - Efficienza di rimozione a 35 mg/m3 di olio
115 Tabella 5.6: Confronto tra le perdite di carico del filtro E, K e N
Velocità di filtrazione [ft/min] ΔP Filtro E [mmH2O] ΔP Filtro K [mmH2O] ΔP Filtro N [mmH2O] 7.5 38 20 13 20 84 57 55 30 126 90 89 40 172 129 130
Dall’analisi dei dati sperimentali si nota che, in realtà, le perdite di carico non variano molto rispetto al filtro K, ma migliorano le efficienze di rimozione. Quanto appena detto è confermato anche dai risultati predetti dal modello (Figura 5.14 e Figura 5.15).
Il modello anche in questo caso fornisce una buona predizione delle prestazioni del filtro.
116
Figura 5.15: Perdite di carico del filtro N, modellate e sperimentali, confrontate con il filtro E
5. 5 Filtro O
Con il filtro O si introduce lo strato di materassino in una configurazione non piana: la costruzione è analoga a quella del filtro M, con la sola differenza che i 4 veli di materassino ora sono assemblati nella nuova forma.
Durante la costruzione, lo spessore raggiunto dal materassino è risultato pari a circa 2 mm.
Appare subito evidente che, rispetto allo strato di materassino della candela M (che aveva spessore 5 mm), ora la densità di questo è molto maggiore: lo spessore di ciascun velo risulta minore della metà di quello di un velo della candela M e la densità di conseguenza aumenta con proporzionalità inversa. L’efficienza quindi risulterà maggiore, non solo per l’effetto della nuova struttura ma anche per l’aumento di densità.
Inoltre il diametro esterno della candela è aumentato, pur restando circa costante lo spessore di filtrazione: il metodo di assemblaggio dei veli, infatti, comporta uno spessore “di vuoto” aggiuntivo (a causa della struttura non piana), con solamente 2 mm di mezzo filtrante. Con l’aumento del diametro esterno, le velocità di attraversamento, dello strato di fibra fine e dello strato esterno di fibra lasca, diminuiscono, favorendo il meccanismo di diffusione browniana. Anche per questo motivo l’efficienza dovrebbe aumentare.
117
La Candela O, quindi, rispetto alla M, avrà efficienze migliorate sia per l’effetto della struttura non piana che per l’aumento di densità del materassino che per la diminuzione di velocità attraverso gli strati esterni.
Per quanto riguarda le perdite di carico, invece, la nuova configurazione ha un effetto positivo perché diminuisce la velocità di attraversamento, ma anche un effetto negativo perché la densità del mezzo è aumentata; la diminuzione di velocità negli strati esterni, invece, contribuisce solo positivamente alla diminuzione delle perdite di carico.
Si riportano di seguito i risultati sperimentali ottenuti dal test di tale candela.
Tabella 5.7: Descrizione della Candela O
CANDELA O
Fibra di vetro
m
Df 513 (Fornitore 2) Strato Esterno
m
Df 513 (Forn. 1) Strato Intermedio
Materassino Df 5m
m
Df 513 (Fornitore 2) Strato Interno
Modalità di avvolgimento Parallela
Densità di impacchettamento _ 200 3 m kg Filo Fibra E Filtro o Materassin 36% _
Spessore di filtrazione 0.5’’ + 1’’ + 4 veli struttura non piana + 0.5’’ Efficienza per dp=0.3 μm @ 20 ft/min 98.1 %
118
Figura 5.16: Efficienza di rimozione del Filtro O
Tabella 5.8: Confronto tra le perdite di carico del filtro E, K e O
Velocità di filtrazione [ft/min] ΔP Filtro E [mmH2O] ΔP Filtro K [mmH2O] ΔP Filtro O [mmH2O] 7.5 38 20 19 20 84 57 51 30 126 90 78 40 172 129 114
A conferma di quanto detto, l’efficienza migliora e le perdite di carico diminuiscono a dimostrazione che la diminuzione di velocità ha effetto preponderante rispetto all’aumento di densità dello strato di materassino.
I confronti tra i dati sperimentali e i risultati ottenuti dal modello si riportano nelle figure seguenti. Anche in questo caso si ha corrispondenza tra i due: l’errore che si commette sulle perdite di carico è poco inferiore al 20% e quello sulle efficienze è praticamente trascurabile.
90% 95% 100% 0 1 2 E ff ic e n z a d i r im o z io n e [ %] Dimensione particelle [μm]
FILTRO O - Efficienza di rimozione a 35 mg/m3 di olio
119
Figura 5.17: Efficienze di rimozione del filtro O: confronto tra il modello e i dati sperimentali
120
CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI
Questo lavoro di tesi si inquadra nell’attività di Ricerca & Sviluppo dell’azienda AWS Corporation di Cologno al Serio (BG).
In particolare lo studio svolto ha riguardato l’analisi delle prestazioni dei FiberWind™ Mist Eliminator, al fine di ottimizzarne i consumi e migliorarne le efficienze.
Il lavoro è stato effettuato prima attraverso uno studio teorico dei modelli disponibili in letteratura per la previsione delle performance di tali separatori e successivamente mediante l’analisi dei dati sperimentali ottenuti con l’impianto pilota installato presso l’azienda.
È stato quindi sviluppato un modello che, con la scelta opportuna delle equazioni che esprimono l’efficienza di separazione di ogni singolo meccanismo, si è rivelato attendibile per questo tipo di filtri.
Quanto previsto dal modello è stato poi confermato dai risultati sperimentali. In questo modo è stato possibile trarre delle risposte generali al problema affrontato.
Analizzando separatamente gli effetti dei diversi parametri si può concludere che:
1) La velocità di filtrazione influenza in maniera opposta il meccanismo di separazione per diffusione e quello per impatto: l’efficienza del primo meccanismo diminuisce all’aumentare di questo parametro, viceversa il meccanismo di separazione inerziale è tanto più efficiente quanto più elevata è la velocità di attraversamento.
Le perdite di carico, invece, crescono linearmente al crescere della velocità del flusso.
2) All’aumentare del diametro delle fibre di vetro, l’efficienza di rimozione diminuisce,
così come le perdite di carico. L’area specifica (m2/m3) si abbassa e quindi anche la
probabilità che una goccia impatti su una fibra.
3) Ancora più marcato è l’effetto della densità di impacchettamento: ad una riduzione di densità del 25% circa, corrisponde una drastica riduzione delle performance, con le efficienze che diminuiscono di più di 10 punti percentuali.
4) Candele da 1’’ di spessore di filtrazione, anziché 2’’, pur non essendo strutturalmente stabili, mostrano un buon compromesso tra efficienza di rimozione e perdite di carico.
121
5) L’effetto di sgrossatura, non rilevabile dalle simulazioni ottenute con il modello, viene ampiamente confermato dai risultati sperimentali sulle candele a strati: tanto più spesso è lo strato di fibra lasca a monte di quello di fibra fine, tanto maggiore risulta l’efficienza di separazione.
Questi aspetti sono riassunti nella tabella seguente, in cui sono riportati anche i risultati sperimentali relativi alle diverse candele testate.
122 Tabella I: Riassunto degli effetti dei parametri dei filtri
Parametro investigato Candela testata Caratteristiche Efficienza @ MPPS (20 ft/min) ΔP @ 20
ft/min Note e osservazioni
Standard E Standard 97.5 % 84 mmH2O
Modalità avvolgimento: Parallela
m Df 513 3 200 m kg Letto Spessore filtrazione: 2’’ Modalità di avvolgimento F Modalità avvolgimento: Incrociata 97.1 % 80 mmH2O
La modalità di avvolgimento non influisce significativamente su efficienza e perdite di
carico. Diametro delle
fibre E1 Df_E1 Df_E 88.6 % 44 mmH2O
Ad una diminuzione delle perdite di carico del 50% circa è accompagnata una diminuzione di
efficienza di circa 10 punti percentuali. Densità di
impacchettamento G G E 86.1 % 46 mmH2O
Una riduzione di densità del 25 % circa comporta una drastica riduzione dell’efficienza. Spessore di
filtrazione H
Spessore
filtrazione: 1’’ 91.2 % 50 mmH2O
Il primo strato da 1’’ contribuisce notevolmente alle performance del filtro.
Effetto
sgrossatura I Strati 96.5 % 64 mmH2O
Lo strato di fibra lasca, posto sull’esterno, effettivamente ha un effetto di sgrossatura.
Effetto drenaggio J Strati 94.1 % 60 mmH2O
Lo strato di fibra lasca, posto sull’interno, dovrebbe aumentare la capacità drenante (Non è
stato verificato). Combinazione
effetti K Strati 94.9 % 57 mmH2O
Il filtro K dovrebbe combinare i due effetti positivi dei filtri I e J.
123
Dunque i filtri multistrato costituiscono una valida alternativa al filtro standard: questi comportano una riduzione delle perdite di carico, e quindi un risparmio sui costi di esercizio maggiore del 25%, cui è associata una diminuzione di efficienza di pochi punti percentuali.
Nell’ultima parte di questo lavoro di tesi, l’attenzione è stata rivolta ai materassini in fibra di vetro, caratterizzati da fibre di diametro minore e bassa densità.
Gli aspetti emersi da questo studio sono i seguenti:
1) Il materassino ha efficienze di rimozione molto alte e perdite di carico più basse della fibra di vetro a filo, a dimostrazione che il diametro molto più fine delle fibre ha un peso più significativo della diminuzione di densità. A regime però tale mezzo potrebbe dare problemi di drenaggio.
2) Il materassino ha la possibilità di essere assemblato in una configurazione non piana, aumentando in questo modo la superficie di attraversamento. L’effetto principale è una diminuzione di velocità, a parità di portata di aria, con conseguente aumento dell’efficienza di separazione e diminuzione delle perdite di carico.
Il risultato raggiunto, in definitiva, con questa seconda sperimentazione è l’ottenimento di efficienze maggiori con perdite di carico minori, come riassunto nella tabella che segue.
Tabella II: Riassunto delle performance raggiunte con l’introduzione dei materassini in fibra di vetro
Parametro investigato Candela testata Caratteristiche Efficienza @ MPPS (20 ft/min) ΔP @ 20 ft/min Materassino L m Df 5 E Filtro Letto 36% _ 99.3 % 55 mmH2O Strati +
Materassino M Filtro K + 4 veli 96.6 % 58 mmH2O
Strati + Materassino N Filtro K + 0.5’’ materassino 97.0 % 55 mmH2O Strati + Materassino nuova struttura O Filtro K + 4 veli materassino configurazione non piana 98.1 % 51 mmH2O
I risultati ottenuti sono molto positivi e questo getta le basi per future attività di ricerca; in particolare è necessario riportare le candele su scala industriale e valutarne le prestazioni a
124
regime, cioè in condizioni di saturazione. Questi due aspetti sono infatti stati valutati solamente tramite le simulazioni svolte con il modello teorico e devono quindi essere confermati dai test sperimentali.
125
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