Caratterizzazione e abbattimento di inquinanti e analisi
del rischio nei processi di lavorazione del legno”
Caratterizzazione del particolato e della sua
dinamica: formazione, trasporto e
abbattimento
Prof. A. Soldati, Dott. C. Marchioli, Dott.ssa S. Dearing *
*Dipartimento di Energetica e Macchine &
Centro Interdipartimentale di Fluidodinamica e Idraulica, Università di Udine
Venerdi 30 Gennaio 2009
Particelle/gocce nel settore del legno …
La dinamica delle particelle/gocce controlla l’efficienza di molti processi fondamentali per il
settore legno:
Trasporto/essicazione fibre di legno
Utilizzo di impregnanti a base di resine
Rivestimenti
superficiali
Particelle/gocce nel settore del legno …
Dal punto di vista ambientale la presenza di particelle crea un rischio alla salute.
Esistono vincoli legislativi per ridurre:
Emissioni a camino
Presenza di particelle sul posto di lavoro
Sistemi di abbattimento polveri
Obiettivi
•Acquisire/utilizzare conoscenza fondamentale su
• meccanismi di formazione e accrescimento
• meccanismi di trasporto
• meccanismi di deposizione su superfici solide
per migliorare l’efficienza dei processi
• Acquisire dati sperimentali per:
• Calibrare modelli predittivi
• Validare i modelli numerici
• Studiare in modo sistematico problemi applicativi
Attività in progress
Attività sperimentale:
1.
Getto bi-fase (aria/particelle) - studio dell’interazione tra
particelle e fluido
2. Spray – analisi della formazione di spray, identificazione dei
parametri utili a controllare l’efficienza del processo
3. Trasporto pneumatico di fibre – studio dell’effetto della
dimensione delle fibre sul trasporto (perdite di carico e
distribuzione preferenziale di fibre) e sulla deposizione.
Attività numerica:
1.
Trasporto di fibre in flusso - studio della distribuzione
preferenziale e della deposizione
2. Studio di deposizioni di polveri sottili nei polmoni
1. Getto bi-fase (aria/particelle)
La distribuzione/concentrazione di
particelle dipende da:
• Dimensione di particelle
• Velocità tra particelle e fluido
(‘slip velocity’)
•Geometria dell’ getto (le strutture
del fluido)
Struttura di fluido
‘Flow Visualisation’ di un getto reale (fluido solo)
Struttura di fluido
Obiettivo:
• Caratterizzare il flusso e la
concentrazione locale di particelle
• Identificare le condizioni per cui
controllando il flusso si può
controllare la concentrazione
‘Distribuzione di particelle - risultati DNS (particelle solo)*
1. Getto bi-fase (aria/particelle)
L’impianto :
3. Alimentatore
di particelle
4. Altoparltante
3
1.Generatore
di fumo
1
4
Aria/Particelle
/Fumo
Aria/Particelle
/Fumo
2
2.Ventilatore
Aria Secondaria
Getto d’aria e particelle
Al filtro
1. Getto bi-fase (aria/particelle)
Le misurazioni:
Collezioni immagini
Analisi PTV
Analisi
perPIV
particelle
per fluido
Immagine dei due fasi
‘Flow Visualisation’ di un getto reale (fluido solo)
Particelle traccianti
di fluido
Particelle dispersa
Risultati attesi
• Caratterizzazione del getto bifase attraverso misure PIV/PTV:
 velocità della fase dispersa (particelle) e del fluido
 concentrazione delle particelle
• Acquisizione di Stereo PIV – 3D per:
studio approfondito della dispersione preferenziale delle particelle
– in particolare in direzione radiale
valutare l’effetto della geometria dell’ugello e delle condizioni di
sbocco (flusso confinato/non confinato) sul trasporto/deposizione
particelle)
2. Spray
Elevata dispersione di gocce (“over-spray” )
 spreco di materiale
 possibili problemi di emissione e
 deterioramento delle prestazioni.
Obiettivi:
•Distribuzione granulometrica
•Profilo di concentrazione dello spray
•Caratteristiche del getto
comportamento della fase dispersa.
Esempio di Spray generato
dall’atomizzazione di liquido
2. Spray: esperimento progettato
Studio applicativo per :
• analizzare meccanismo di formazione dello spray
•valutare l’efficienza dello spray misurando
•Concentrazione
•Distribuzione dimensionale
•Velocità delle gocce e del fluido portante
2. Spray: possibili metodologie di analisi
Sono stati individuati diversi tipi di tecniche per la misurazione
granulometrica, tra cui:
•Laser-Diffraction
strumento SPRAYTEC di Malvern
•Interferometric Particle Imaging IPI
 Global Sizing Velocimetry di TSI
•Phase Doppler Anemometry PDA
 PDA HiDense Spray di Dantec
Laser Diffraction
Laser diffraction sfrutta l’interazione tra la
luce di laser e la discontinuità di mezzo (le
particelle
Questa interazione crea l’insieme di fenomeni
ottici noto come (SCATTERING)
La luce dell’laser sparsa dalle particelle viene
raccolto da dei “detector” che misura i cerchi di
massima e minima intensità.
Particelle devono essere sferiche
Questi cerchi, l’insieme noto come un AIRY
DISK, ci danno informazioni sulla
distribuzione granulometrica in un volume –
non a punti individuali di un piano (come per
esempio IPI)
Interferometric Particle Imaging (IPI)
Tecnica molto simile alla PIV ( stessi componenti )
Le differenze: angolo tra la
fotocamera e il “laser-sheet”
(non perpendiculare),
l’immagine non viene presa in
fuoco ma fuori foco
Interferometric Particle Imaging (IPI)
Formazione delle frange interferometriche
Particelle devono essere
sferiche e trasparenti
Il numero di frange è
proporzionale al
diametro della
particella
IPI
Risultati:
Le frange sono state sostituite
da cerchi di dimensionie
rappresentivia della loro taglia
Red = Frame 1
Yellow = Frame 2
2.Spray: caratterizzazione granulometrica
Risultati:
Measured Diameter
Histograms
Quale scegliere?
SPRAYTEC
Velocità
Concentrazione
Diametro
Flussi densi
IPI
3. Trasporto pneumatico di fibre
Obiettivi:
• valutare distribuzione preferenziale di fibre all'interno del flusso
• valutare effetto della dimensione delle fibre su trasporto (perdite di
carico) e la deposizione
Figura 1
Figura 2
3.Trasporto pneumatico di fibre: il circuito
Impianto di test: circuito bi-fase
(Laboratorio di Fluidodinamica
Multifase)
Work in progress:
•pulizia dell’impianto (per assicurare condizioni di funzionamento
stabile per la durata dei test)
•sostituzione del separatore esistente e introduzione di un tratto di
tubazione trasparente per avere accesso ottico al flusso e realizzare
le misurazioni.
3. Trasporto pneumatico di fibre
Metodologia e Risultati attesi:
La tecnica di misurazione sarà messa a punto sul primo impianto
Esperimenti preliminari con fibre in acqua
Modifiche di impianto per caratterizzare il trasporto di fibre in flusso
d’aria (condizione reale di processo)
Confronto con risultati di “Direct Numerical Simulation” (DNS )
3. Trasporto pneumatico di fibre
Configurazione studiata:
•Flusso di aria in canale
•Fibre di diversa lunghezza, diversa densità relativa e diversa inerzia
3. Trasporto pneumatico di fibre (DNS)
Distribuzione istantanea delle
fibre nel flusso:
• non è omogenea
•non dipende dalla lunghezza
delle fibre (con flusso diluito)
Vista Frontale
3. Trasporto pneumatico di fibre (DNS)
Vista laterale
Le fibre si accumulano alla parete
Al centro del canale distribuzione è “random”
Studio di deposizioni di polveri sottili nei polmoni
L’obiettivo è capire, in base della
dimesione, dove si depositano le polveri e in
che quantità
La dinamica delle polveri in trachea è
modellata come un flusso bi-fase perché è
governato dalle stesse equazioni di bilancio
Modello predittivo – tipo gerarchico
Per quantificare la probabilità delle polveri
( in base di dimensione) nei vari tratti delle
vie respiratorie.
Modello di deposizione
Studio di deposizioni di polveri sottili nei polmoni
Modello delle vie aeree
Deposizione tratto C
Diametro polveri
Fine
Grazie
3. Trasporto pneumatico di fibre (DNS)
Vista laterale
LeCentro
fibre canale
si accumulano alla parete
Alle pareti del canale
Al centro del canale distribuzione è “random”