Trasporti pneumatici Prof. Ing. Marco Boscolo

Generalità Si tratta di un sistema continuo, di trasporto e sollevamento, per materiali sciolti. Il moto avviene per mezzo della spinta e dell’azione fluidificante esercitata dall’aria sul materiale

Struttura funzionale Ventilatore; un sistema di immissione dell' aria; alimentazione e dosatura del materiale da trasportare; una conduttura che collega il punto di alimentazione al punto di scarico; un sistema di separazione del materiale dall'aria convogliatrice; un sistema di espulsione dell’aria convogliatrice che può prevedere anche una sua filtrazione;

Vantaggi dell’impiego Eliminazione di meccanismi distribuiti lungo il percorso; percorsi complessi con minimo ingombro; facile aspirazione del materiale da mucchi (es : da mezzi di trasporto) anche in punti di difficile accesso; possibilità di automazione totale dell’impianto; possibilità di variare il percorso operando su opportune valvole di deviazione;

Svantaggi dell’impiego consumo di energia piuttosto elevato; possibile formazione di zolle possibile danneggiamento del materiale; pericolo di ostruzione dei tubi; difficoltà nel separare completamente l'aria dai materiali polverulenti allo scarico (emissioni polverose)

Impianti in aspirazione Ventilatore a valle dell’impianto Tutto l’impianto è in depressione rispetto all’atmosfera

Impianti in aspirazione: vantaggi semplicità costruttiva; semplicità di alimentazione del materiale; minimo ingombro al punto di alimentazione; possibilità di aspirare il materiale da mucchi; possibilità di avere più punti di carico; in caso di imperfetta tenuta non si ha fuoriuscita del materiale;

Impianti in aspirazione: svantaggi limitazione della potenzialità, della differenza di pressione e delle distanze; rarefazione dell'aria che ha poca possibilità di sostegno del materiale; forti ingombri allo scarico per la presenza necessaria di filtri (anche per materiali di grande pezzatura e non polverulenti);

Impianti in pressione Il ventilatore è a monte dell’impianto Tutte le tubazioni e i diversi componenti sono in sovrappressione rispetto all’atmosfera

Impianti in pressione: vantaggi possibilità di aumentare la pressione a volontà, nei limiti di tenuta dell' impianto; minore probabilità di formazione di ostruzioni; alta densità dell'aria che sostiene meglio il materiale; minimo ingombro allo scarico per materiali che non richiedono filtri (es: per materiali di grande pezzatura e non polverulenti); possibilità di avere più punti di scarico;

Impianti in pressione: svantaggi difficoltà di immissione del materiale nel circuito; rilevanti ingombri nel punto di carico per la presenza degli organi di alimentazione; possibilità di fughe d'aria nel punto di carico; facile formazione di condense; in caso di imperfetta tenuta si ha la fuoriuscita del materiale; maggior costo delle tubazioni e degli organi ausiliari per pressioni elevate;

Impianti misti Una sezione in aspirazione Una sezione in compressione il materiale deve attraversare la girante, per cui questo sistema, estremamente economico, può essere adottato solo se la pezzatura è molto ridotta e né le pale né il materiale vengono danneggiati.

Fattori influenzanti il tipo di trasporto tipo e pezzatura del materiale da trasportare; proprietà fisiche del materiale (densità, permeabilità all'aria, ritenzione dell'aria, etc.); punto di carico e scarico del materiale; tipo di funzionamento (continuo o discontinuo); potenzialità di trasporto dell' impianto;

Fattori influenzanti il tipo di trasporto lunghezza della conduttura e suo sviluppo; diametro interno della conduttura; sistemi di alimentazione e scarico del materiale; caduta di pressione tra aspirazione e scarico dell'aria; modalità di trasporto possibili lungo la conduttura

Tipi di moto: a bassa concentrazione (a volo) Grani isolati di materiale vengono trascinati velocemente in avanti dal vento che soffia all'interno dei tubi, rimbalzando anche lungo le pareti e nelle frequenti collisioni fra loro. La spinta è quindi dovuta unicamente all'azione dinamica dell'aria sul materiale che, per non ostruire il passaggio del fluido vettore e rallentarlo troppo, deve essere presente in modeste quantità all' interno della conduttura

Moto a bassa concentrazione: caratteristiche possibilità di intasamento dei tubi piuttosto remota; potenza richiesta piuttosto elevata; il materiale è sottoposto a continui rimbalzi piuttosto violenti e se è friabile si degrada e rilascia una notevole quantità di polvere fine che è difficile da filtrare; se invece è duro esercita un'azione di abrasione sulle tubazioni;

Tipi di moto: ad alta concentrazione l'aria attraversa lentamente la massa di materiale; se si adotta la giusta concentrazione, i grani di materiale possono venire opportunamente fluidificati dall'aria stessa pur occupando buona parte della sezione del condotto vengono spinti in avanti dal fluido vettore con un flusso continuo di tipo ondulatorio o discreto e pulsatorio a seconda che la granulometria sia fine o media

Moto in fase densa ondulatoria Materiali fini Bassa velocità del materiale e del fluido Alta concentrazione Elevate prevalenze Basse portate d’aria a parità di portata di materiale

Moto in fase densa pulsatoria Materiali in pezzatura media Bassa velocità del materiale e del fluido Alta concentrazione Elevate prevalenze Basse portate d’aria a parità di portata di materiale

Moto in fase densa I danneggiamenti presenti nei moti ad alta concentrazione vengono notevolmente ridotti maggiore tendenza all' ostruzione dei tubi (i tratti più pericolosi in tal senso sono quelli orizzontali) Nei tratti verticali la forza di gravità provoca un continuo rimescolamento del materiale che rimane sempre sufficientemente "fluidificato" e non riesce a depositarsi e otturare il condotto.

Tipi di moto al diminuire della portata d’aria 1) A galleggiamento o a volo 5) A pacchetti o a tamponi 2) Ad incipiente sedimentazione 6) A bolle 3) Ad avanzata sedimentazione 7) A colonna o a spinta 4) A dune

Rapporti di massa e volume Rapporto di massa µ<1 flusso sospeso µ>40 fase densa 1<µ<40 da valutare caso per caso Rapporto di volume

Portate d’aria in funzione del peso specifico di mucchio del materiale da trasportare

Principio di funzionamento Sulle particelle agiscono delle forze di massa (gravità e forza centrifuga) e delle forze di superficie (portanza e resistenza aerodinamica) le forze aerodinamiche insorgono per una differenza di velocità relativa tra aria e particelle Giocando su quest’ultimo fattore è possibile ottenere gli effetti desiderati: trasporto, deposizione, separazione centrifuga, ad urto ecc

Velocità di sostentamento In condizioni di equilibrio si ha Indicando con: m densità del materiale vm velocità relativa aria/mat dm diametro della particella Cd coefficiente di resistenza si può scrivere:

Velocità di sostentamento avendo assunto a = 1.2 kg/m3 Cd = 0.6 (moto turbolento, 103<Re<105) g = 9.81 m/s2 si ha in definitiva

Osservazioni A parità di densità, la velocità di sostentamento è tanto più piccola quanto minore è il diametro della particella Particelle più piccole sono più facilmente trasportabili rispetto a particelle più grosse in pratica la velocità di trasporto (velocità nominale dell’aria) si assume moltiplicando la velocità minima per un coefficiente di sicurezza compreso tra 1.5 e 4

Velocità di sostentamento per alcuni materiali

Tipi di moto e grandezze caratteristiche

Influenza della pressione di mandata Al diminuire del rapporto di massa µ, la pressione di mandata aumenta, comportando un riscaldamento dell’aria che deve essere considerato. Ipotizzando una compressione isoentropica di aria a pressione atmosferica e a 15°C con pressione finale pari a 3 bar si ha:

Aumento della temperatura a seguito della compressione Avendo assunto T1 288°K (273+15°C) p2 303.9 kPa (3 bar) 1.4 (rapporto tra i calori specifici dell’aria a pressione e volume costanti Si ottiene in definitiva un temperatura di uscita pari a 121°C

Aumento della temperatura a seguito della compressione Un simile aumento di temperatura può non essere sopportabile dal materiale. In tal caso, soprattutto se il carico del materiale avviene in prossimità del compressore, bisognerà provvedere al raffreddamento dell’aria

Sistemi di alimentazione: venturi Adatti per sistemi in pressione Adatti a piccole portate e Lunghezze limitate (poche decine di m) Richiedono grandi portate d’aria Hanno basso rendimento Sono utilizzabili con materiali abrasivi

Sistemi di alimentazione: valvole rotanti (rotocelle) Adatte sia per sistemi in pressione che in depressione Continuità di introduzione del materiale Adatte per materiali non abrasivi Portate fino a 15 t/h Lunghezze tubazioni fino a 200 m Pressioni massime di esercizio 0.4÷0.5 bar

Sistemi di alimentazione: coclee a passo decrescente Per impianti in pressione Materiali molto fini Non abrasivi

Alimentatore con doppia valvola Per impianti in pressione e depressione

Sistemi di alimentazione: propulsori Per sistemi in pressione Materiali in polvere o granulari Abrasivi e friabili Funzionamento intermittente Per il funzionamento in continuo devono essere installati in coppia

Propulsore

Sistemi di alimentazione: Succhieruola Per sistemi in depressione

Sistemi di alimentazione: campi usuali impiego

Sistemi di alimentazione: distanze limite di trasporto

Sistemi di separazione aria materiale Ciclone separatore Filtro a maniche

Ciclone separatore e filtro a maniche

Ciclone: principio di funzionamento Il materiale viene spinto contro la parete dalla forza centrifuga: G peso dei grani di materiale vt componente tangenziale della velocità della particella g accelerazione di gravità r raggio del ciclone v2/gr fattore di separazione del ciclone dm diametro della particella m densità del materiale

Ciclone: principio di funzionamento Alla forza centrifuga si oppone la resistenza aerodinamica Cd coefficiente di resistenza aerodinamica dm diametro della particella a densità dell’aria vr componente radiale della velocità della particella

Confronto tra le due forze La forza centrifuga è una forza di massa e dipende da d3 La resistenza è una forza di superficie e dipende da d2 si ha:

Confronto tra le due forze All’aumentare del diametro della particella, la forza centrifuga prevale sulla resistenza aerodinamica e la particella è soggetta ad un’elevata accelerazione centrifuga che la spinge rapidamente contro la parete Al diminuire del diametro della particella, l’accelerazione centrifuga si affievolisce e il percorso radiale richiede tempi di percorrenza crescenti, incompatibili con lo sviluppo complessivo della chiocciola

Diametro minimo separabile Un ciclone non è in grado di separare particelle molto piccole in pratica i cicloni vengono non vengono impiegati per granulometrie inferiori ai 10 µm

Formule per il dimensionamento [m/s] Qa portata d’aria [m3/s] Dc diametro del ciclone [m] [m] vi velocità di ingresso [m/s] Dc diametro del ciclone [m] m densità del materiale [kg/m3]

Dalle formule precedenti si ottiene: permette di calcolare il diametro del ciclone in funzione della portata d’aria, del diametro minimo separabile (in genere non inferiore a 10 µm) e della densità del materiale (non inferiore a 500 kg/m3)

Proporzioni tipiche di un ciclone

Cicloni separatori: dati dei costruttori

Cicloni separatori: dati dei costruttori

Determinazione delle perdite di carico Si distingue tra: perdite a vuoto (perdite aria): si verificano quando nell’impianto circola solamente l’aria perdite dovute all’esclusiva presenza del materiale (perdite del materiale)

Perdite a vuoto (perdite aria) Determinazione dell’altezza cinetica: [Pa] perdita di imbocco: contrazione di vena fluida nella sezione di aspirazione [Pa]

Perdite a vuoto (perdite aria) Attrito nei condotti [Pa] Resistenze accidentali oppure applicando la formula precedente ad una lunghezza di tubo equivalente che dipende dal tipo di singolarità

Perdite dovute a resistenze accidentali

Valori di j

Perdite a vuoto (perdite aria) Perdite nel ciclone [Pa] Perdite nel filtro: ci si affida ai dati dei costruttori. Spesso si hanno circa 1500 Pa

Perdite nel materiale Il materiale posto in movimento acquista energia cinetica a scapito di una perdita di pressione dell’aria. GM portata massica di materiale [kg/s] QA portata volumetrica d’aria [m3/s] P caduta di pressione [Pa] vm velocità del materiale (assunta uguale a quella dell’aria) [m/s]

Perdite nel materiale Perdita di avviamento (per imprimere al materiale l’energia cinetica) [Pa] Perdita di ingresso (su base sperimentale): h2M = 3h1M impianti in depressione h2M = 2h1M impianti in pressione

Perdite nel materiale Per attrito nei condotti: dipende dall’attrito materiale trasportato e materiale del tubo (sovente acciaio) Si suppone che non tutto il materiale trasportato partecipi al fenomeno (sovente c=0.2) [Pa]

Alcuni valori del coefficiente di attrito

Perdite nel materiale Per superamento di dislivelli [Pa] Nelle singolarità geometriche (gomiti, bruschi allargamenti, restringimenti ecc.) [Pa] Essendo µ il rapporto tra i pesi