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ⓘ Ciclone (ingegneria)




Ciclone (ingegneria)
                                     

ⓘ Ciclone (ingegneria)

Un ciclone o depolveratore centrifugo è un macchinario che permette la purificazione dellaria dalle polveri sfruttando il principio della forza centrifuga. È usato come trattamento preliminare della corrente contaminata per labbattimento parziale degli elementi inquinanti nellaria.

                                     

1. Meccanismo

I cicloni sono dei sistemi di abbattimento che, senza utilizzo di organi in movimento e sfruttando ingressi opportunamente sagomati, permettono di separare le particelle contaminanti. In particolare, la corrente di gas e polvere viene fatta passare in un sistema composto da due cilindri concentrici. Al gas in entrata viene imposto un moto a spirale nellintercapedine presente tra i due cilindri, dallalto verso il basso. I gas potranno poi uscire passando attraverso il cilindro interno, più basso di quello esterno. Le particelle, aventi maggiore inerzia rispetto al gas, tenderanno a sbattere contro le pareti del cilindro più esterno, e a cadere sul fondo del sistema, ove è collocata una tramoggia per il recupero delle polveri. Le polveri possono quindi essere recuperate per una successiva fase di trattamento. Idealmente un ciclone può essere rappresentato da una struttura cilindrica con uscita ad imbuto, costituita da una bocca di entrata del gas da trattare e una di uscita. La capacità di trattare particelle con granulometria più o meno fine dipende dal diametro del ciclone.

                                     

2. Tipologie di cicloni

I principali tipi di cicloni sono:

  • Convenzionale, con ingresso tangenziale dellaria da trattare e uscita assiale dellaria trattata e delle polveri;
  • Ad ingresso tangenziale e uscita laterale delle polveri;
  • Ad ingresso assiale e scarico assiale delle polveri;
  • Ad ingresso assiale e scarico laterale delle polveri.
                                     

3. Fasi del trattamento

Il sistema più utilizzato è il ciclone convenzionale che basa il suo funzionamento su un processo che presenta le seguenti fasi:

  • Grazie alla forma e dimensione del dispositivo il flusso daria assume un moto a spirale direzionato verso il basso
  • Per forza di gravità il contaminante precipita sul fondo dove in seguito viene raccolto
  • Grazie alla forma conica della bocca di uscita si crea una differenza di pressione nella zona inferiore del ciclone che genera linversione del moto di rotazione del flusso di gas. Laria trattata senza le particelle più grossolane risale verso lalto, si genera quindi un vortice più piccolo lungo il corpo del ciclone che permette la fuoriuscita del gas trattato dalla bocca di scarico posta lungo lasse del ciclone.
  • Il gas contaminato viene inserito con direzione tangenziale al ciclone
  • Per effetto della forza centrifuga, si ha il deposito delle particelle sulle pareti del ciclone

In uscita il gas depurato dal contaminante più grossolano, risulta ancora inquinato da particelle di piccole dimensioni che il sistema non riesce a separare.



                                     

4. I multicicloni

I cicloni possono essere impiegati anche come parti di unità modulari in parallelo che prendono il nome di multicicloni. In questo caso si utilizzano elementi di diametro ridotto dai 15 ai 50 cm.

Nei multicicloni gli elementi possono essere disposti nei seguenti modi:

  • Elementi disposti in modo orizzontale
  • Disposti verticalmente ad ingresso assiale
  • In modo inclinato con ingresso tangenziale

Per elevate quantità di gas da trattare i multicicloni possono essere formati anche da centinaia di elementi in parallelo: questo comporta costi di trattamento molto elevati sia di installazione che di esercizio; in queste situazioni si preferiscono sistemi formati da uno o più cicloni disposti in parallelo e di diametro maggiore così da avere una riduzione dei costi del sistema a scapito però di un decremento della capacità di separazione delle polveri fini.

                                     

5. Applicazioni

I cicloni sono utilizzati nelle segherie per la purificazione dellaria dalle polveri di segatura, nelle industrie di produzione di razioni animali per la separazione dei microingredienti dallaria, nelle raffinerie, nellindustria del cemento e, da qualche anno, in alcuni modelli di aspirapolvere. I cicloni possono essere utilizzati anche per la separazione di solidi sospesi da liquidi, ma in questo caso si parla più propriamente di idrocicloni.

I cicloni sono applicati quando laria da trattare presenta una concentrazione di particelle estremamente alta o quando devono essere rimosse polveri grossolane che potrebbero danneggiare i più delicati dispositivi di depurazione. Nelle applicazioni industriali i cicloni vengono impiegati per trattare gas contenenti particelle di particolato con diametro maggiore di 10 µm.

La maggior parte dei dispositivi in commercio è costituita da cicloni con un diametro che va dai 5 ai 30 cm e permettono di abbattere contaminanti con granulometria maggiore di 5 µm, mentre dispositivi con diametro più elevato dai 30 ai 200 cm vengono utilizzati per leliminazione di particelle con dimensione granulare superiore al millimetro. Questi ultimi sono utilizzati generalmente per concentrazioni di particolato molto elevate.

Per i cicloni convenzionali si ha unefficienza di abbattimento delle polveri che può andare dal 30 al 90% per granulometria fino a 10 µm, il cosiddetto PM10 e fino al 40% per polveri con dimensioni fino a 2.5 µm il PM2.5. Esistono inoltre cicloni ad alta efficienza con rendimenti che vanno dal 60 al 95% per dimensioni fino a 10 µm e dal 20 al 70% per polveri con granulometria dellordine dei 2.5 µm. Questi sistemi caratterizzati da unelevata caduta di pressione richiedono però un grande dispendio energetico per poter funzionare. Nel caso dei multicicloni si possono ottenere rendimenti variabili tra l80 e il 95% nel caso di polveri con dimensioni inferiori ai 5 µm PM5.

I flussi pretrattati sono poi convogliati ad altri sistemi di abbattimento più costosi ed efficaci che vengono sempre posti a valle di questa tipologia di depuratori.

I cicloni presentano molteplici vantaggi:

  • bassi costi di implementazione e utilizzo;
  • necessità di spazi limitati per limplementazione del sistema;
  • buona flessibilità operativa.
  • manutenzione semplificata, vista la mancanza di organi in movimento;
  • possibilità di lavorare a qualsiasi temperatura;
  • possibilità di lavorare con fumi umidi;
  • semplicità nel recupero delle polveri;
  • alte efficienze sul particolato grossolano, abbattimento anche del particolato fine anche se con basse efficienze;

La scarsa efficienza per granulometrie fini minori di 5 micrometri di diamero è uno dei principali svantaggi, che limitano pesantemente lapplicazione di questo metodo di trattamento e inoltre si hanno rischi di intasamento e corrosione del ciclone per effetto dei contaminanti. Gli impianti di questo tipo presentano inoltre alte perdite di carico.

                                     

6. Equazioni di progetto

Le equazioni che governano il fenomeno si basano sullassunto che, affinché una particella possa essere abbattuta durante il suo percorso attraverso il ciclone separatore, il tempo che essa trascorra al suo interno deve essere maggiore o uguale al tempo che essa impiega per percorrere la distanza che la separa radialmente dalla parete del cilindro esterno.

Il numero di giri che la particella percorre lungo il suo moto elicoidale attorno al cilindro esterno è dato dalla formula empirica

N = L 1 + L 2 H {\displaystyle N={\frac {L_{1}+{\frac {L_{2}}{2}}}{H}}}

Dove L 1 e L 2 sono due altezze caratteristiche del ciclone separatore, mentre H è laltezza del condotto di immissione dei fumi allinterno dellabbattitore.

Noto il numero di giri, il tempo di permanenza della particella allinterno del ciclone è pari a:

t = 2 π R N v g {\displaystyle t={\frac {2\pi RN}{vg}}}

dove:

  • vg è la velocità dei fumi allinterno del ciclone separatore.
  • R è il raggio medio del cilindro interno e del cilindro esterno;

Il tempo necessario alla particella per impattare contro la parete è invece dato da considerando la particella più sfortunata, che entra tangente al cilindro interno:

t = W v t {\displaystyle t={\frac {W}{vt}}}

dove:

  • W è la larghezza del condotto dei fumi in ingresso che generalmente coincide con la larghezza dellintercapedine tra i due cilindri;
  • vt è la velocità terminale della particella, intesa come la velocità della particella una volta raggiunto lequilibrio tra la forza centrifuga e la forza di trascinamento data dalla corrente dei fumi.

Dalla precedente equazione segue che:

v t = W t = W v g 2 π R N {\displaystyle vt={\frac {W}{t}}={\frac {Wvg}{2\pi RN}}}

Per la legge di Stokes, in caso di moto laminare, vale:

v t = d p ρ p − ρ g v g 18 μ g {\displaystyle vt={\frac {d_{p}\rho _{p}-\rho _{g}vg}{18\mu g}}}

dove:

  • ρ p è la densità della particella;
  • g è laccelerazione di gravità.
  • μ è la viscosità del gas;
  • d p è il diametro della particella;
  • ρ g la densità del gas;

Uguagliando le ultime due equazioni:

W v g 2 π R N = d p 2 ρ p − ρ g v g 2 18 μ g {\displaystyle {\frac {Wvg}{2\pi RN}}={\frac {dp^{2}\rho _{p}-\rho _{g}vg^{2}}{18\mu g}}}

si ottiene il diametro d p della più piccola particella separata:

d p = ^{0.5}}

Tale espressione è corretta se si suppone che vengano separate il 100% delle particelle aventi diametro maggiore di d p. Nella realtà empiricamente si usa il diametro di taglio d pc, che fa riferimento ad unefficienza di separazione del 50%, e che vale:

d p c = d p 2 {\displaystyle d_{pc}={\frac {d_{p}}{\sqrt {2}}}}

Nota la distribuzione granulometrica delle particelle, al variare delle dimensioni delle particelle, per ogni campo dimensionale i-esimo, si può calcolare lefficienza di separazione del ciclone, relativa al campo dimensionale i-esimo, come:

h i = 1 + d p c d p i 2 {\displaystyle h_{i}={\frac {1}{1+\left{\frac {d_{pc}}{d_{pi}}}\right^{2}}}}

dove d pi è la dimensione della particella appartenente al campo dimensionale i-esimo.

Lefficienza complessiva del ciclone si può calcolare moltiplicando la frazione in massa di particelle appartenenti al campo dimensionale i-esimo per la corrispondente efficienza e sommando i prodotti ottenuti per i vari campi i-esimi.

Si definisce inoltre la "penetrazione percentuale" P come:

P = 1 − h t o t {\displaystyle P=1-h_{tot}}

essendo h tot lefficienza totale.

Per quanto riguarda le perdite di pressione allinterno del ciclone si calcola il coefficiente di perdita Z:

Z = K H W D e 2 {\displaystyle Z={\frac {KHW}{D_{e}^{2}}}}

in cui:

  • K è una costante compresa tra 12 e 18;
  • D e è il diametro del condotto di uscita dal ciclone.

La perdita di pressione è data quindi da:

Δ P = 1 2 Z ρ g v g 2 {\displaystyle \Delta P={\frac {1}{2}}Z\rho _{g}vg^{2}}


                                     
  • non può ostruire. Una volta che il ciclone esterno ha isolato le macroparticelle di polvere e sporco, il ciclone interno accelera ulteriormente il vortice
  • Luigi e Anna Tombini. Dopo gli studi secondari, frequentò la facoltà di ingegneria dell Università di Roma, ma non completò mai il corso di studi poiché
  • dove viene estratta. Il sistema può essere privo di organi meccanici ciclone oppure la velocità del moto rotatorio può essere regolata mediante un
  • depolverizzazione ciclone a caldo questo gas grezzo viene immesso nel pozzo riduttore come agente riducente. La polvere abbattuta dal ciclone viene riportata
  • della classe omonima, varato nel 1931 e radiato nel 1951 Ciclone torpediniera classe Ciclone varata il 1º marzo 1942 e affondata da una mina l 8 marzo
  • nuovamente interrotti. Anche i vertici del Consorzio vengono investiti dal ciclone di Mani pulite. Nel 1997 viene costituito il Consorzio per le Autostrade

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