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Modulo 2.6

Esercitazione: impianto di trasporto pneumatico

Prof. Ing. Cesare Saccani

Ing. Marco Pellegrini

Ing. Alessandro Guzzini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2, 40136, Bologna – Italy

Corso di Strumentazione e Automazione Industriale

Versione 03

Agenda

Introduzione al trasporto multifase

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Il trasporto pneumatico nell’industria ceramica

Impianto sperimentale trasporto pneumatico

Sistema di acquisizione dati e controllo


Introduzione

Nei processi industriali è frequente la necessità di trasportare materiali

granulari o in polvere in sospensione fluida, gassosa o liquida.

Nel primo caso (gas+solido) si parla di trasporto pneumatico.

Nel secondo caso (liquido+solido) si parla di trasporto idraulico.

Esistono anche applicazioni industriali con flussi liquidi-gas o casi di

flussi multi-fase liquido+gas+solido.

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Farina

Polvere di caffè

PVC in granuliPolverino di carbone

Cemento

Introduzione al trasporto pneumatico

I sistemi di trasporto pneumatico sono semplici e particolarmente adatti per il

trasporto di materiale in polvere, solidi granulari o materiali incoerenti. Il sistema

è completamente chiuso, confinato in una condotta, senza alcun tipo di contatto e

contaminazione tra materiale e ambiente e viceversa.

Il trasporto pneumatico, sostanzialmente, prevede che il materiale da

movimentare venga spinto nella tubazione da un fluido portante, messo in

pressione o in depressione da una soffiante o compressore.

Il fluido portante è aria secca, nell’ipotesi in cui si trasportino materiali

igroscopici, o azoto, se il materiale da movimentare può generare atmosfere

potenzialmente esplosive.

Campi di applicazione:

- Industria chimica e di processo,

- Industria dei materiali da costruzione,

- Industria alimentare,

- Industria della lavorazione del legno,

- Fonderie,

- Agricoltura, …4/108


Introduzione al trasporto pneumatico

Il trasporto si caratterizza in funzione del rapporto esistente tra portata di solido in

massa (kgs/h) e portata di aria in massa (kga/h). Il rapporto tra portata di solido e

portata di aria è detto rapporto di miscela m ed è uno dei parametri progettuali più

complessi da definire, poiché la tipologia di trasporto è influenzata dal valore del

rapporto di miscela desiderato. Quando il rapporto di miscela è basso si parla di

trasporto in fase diluita; quando, invece, il rapporto di miscela è elevato, si parla

di trasporto pneumatico in fase densa.

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m

Dp

Per

dita

di c

aric

o

fase diluita fase densa

Se si analizza la curva di stato di un

trasporto pneumatico (ovvero le perdite

di carico in funzione del rapporto di

miscela) si osserva solitamente un

andamento che identifica un minimo per

un determinato valore del rapporto di

miscela.

Attenzione! Il funzionamento

dell’impianto nella condizione di minima

perdita di carico non consente una

regolazione adeguata (ovvero una

regolazione in fase densa o diluita).

1. Trasporto pneumatico

in aspirazione (la

soffiante è a valle

dell’impianto)


in compressione (la

soffiante è a monte

dell’impianto)


misto

Legenda:

C: Ciclone separatore

D: Dispositivo dosatore

F: Filtro

S: Soffiante

T: Testa aspirante

TR: Tramoggia

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https://www.youtube.com/watch?v=5mKvQHL_YI4

https://www.youtube.com/watch?v=5mKvQHL_YI4

Esempio di impianto in aspirazione

Molto utilizzato per lo scarico di cereali in impianti portuali.

Una o più torri, scorrevoli su rotaia lungo la banchina portano

le apparecchiature principali, soffiante S, separatore a ciclone

C e filtri F. A ciascun gruppo sono collegate tubazioni di

aspirazione collegati alla bocca di aspirazione.

La bocca di aspirazione è un tubo cilindrico

con un invito conico, su cui sono realizzate

fenditure regolabili per costringere l’aria a

passare attraverso il materiale solido.

Con alcuni materiali (es. cemento) è necessario

munire la bocca con dei raschiatori o delle coclee

trasversali per riuscire a raschiare il materiale e

condurlo in prossimità della bocca.

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1) Rotocelle e coclee (spesso a passo

decrescente): utilizzate sia per lo scarico da

separatori, tramoggie, silos, etc. sia per

l’alimentazione del materiale negli impianti in

pressione

2) ugelli di Venturi: molto utilizzati nel

trasporto di materiali abrasivi (anche se

richiedono portate di aria notevoli)

3) Canalette fluidificate: un setto poroso (di

fibre naturali, materiali sinterizzati, etc.) separa

il materiale dall’aria in pressione. Questa passa

tra i pori fluidificando il materiale che viene

così a presentare una diminuzione notevole

dell’angolo di declivio naturale.

Rotocella

Coclea

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Compressori

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Cicloni

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Distributore Miscelatore

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Rotocelle:

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Rotocelle

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Coclea

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https://www.youtube.com/watch?v=pFD4UodgOp0

https://www.youtube.com/watch?v=pFD4UodgOp0

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Elevatore

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Propulsore

https://www.youtube.com/watch?v=4_7Z5CfQuEs

https://www.youtube.com/watch?v=4_7Z5CfQuEs

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Valvole

Indicatore di livello rotativo tipo ILR

Indicatore a livello a tasteggio tipo ILT

Indicatore a livello capacitivo tipo ILC

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Valvole deviatrici

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Gli stati del trasporto: trasporto orizzontale

𝑣 ≫ 𝑤𝑠0

𝑤𝑠 ≅ 𝑤𝑠0

µ ≪ 30

𝑣 > 𝑤𝑠0

𝑤𝑠 ≅ 𝑤𝑠0

µ < 30

𝑤𝑠 > 𝑣 > 𝑤𝑠0

𝑤𝑠 > 𝑤𝑠0

µ ≈ 30

𝑤𝑠 > 𝑣 → 𝑤𝑠0


µ > 30

a) Trasporto a volo e rispett. in sospensione,

trasporto in corrente rarefatta quasi-stazionaria,

distribuzione omogenea del solido.

b) Trasporto a salto, trasporto in corrente

rarefatta quasi-stazionaria, distribuzione non

omogenea del solido.

c) Trasporto a rivoli, trasporto in corrente densa

quasi-stazionaria, distribuzione non omogenea

del solido.

d) Trasporto a dune, trasporto in corrente densa

instazionaria, distribuzione non omogenea del

solido.

𝑣 = velocità del gas; 𝑤𝑠0= velocità di caduta del singolo grano;

𝑤𝑠 = velocità di caduta delle particelle solide; µ = rapporto di miscela per densità del solido ρ𝑠 = 2500 kg/𝑚3

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Gli stati del trasporto: trasporto orizzontale

𝑤𝑠><

𝑣 ≪ 𝑤𝑠0

𝑤𝑠 < 𝑤𝑠0

µ ≫ 30

𝑤𝑠><

𝑣 > 𝑤𝑠0


µ ≫ 30𝑑𝑠 < 100 µ𝑚

e) Trasporto a tampone, trasporto in

corrente densa instazionaria.

f) Trasporto a spinta, trasporto in corrente

densa stazionaria, distribuzione omogenea

del solido.

g) Trasporto a flusso, trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria, distribuzione del

solido da omogenea a eterogenea.

𝑤𝑠 < 𝑣 < 𝑤𝑠0


µ > 30

𝑣 = velocità del gas; 𝑤𝑠0= velocità di caduta del singolo grano;

𝑤𝑠 = velocità di caduta delle particelle solide; 𝑑𝑠 = diametro del solido;

µ = rapporto di miscela per densità del solido ρ𝑠 = 2500 kg/𝑚3

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Gli stati del trasporto: trasporto verticale

𝑣 ≫ 𝑤𝑠0

µ ≪ 10

𝑣 > 𝑤𝑠0

µ ≤ 20

a) e b) Trasporto a volo, trasporto a

corrente rarefatta quasi-stazionaria,

distribuzione omogenea del solido.

c) Trasporto a palle,

passaggio al trasporto

in corrente densa.

d) Trasporto a rivoli,

trasporto in corrente

densa quasi-stazionaria.

𝑤𝑠0≤ 𝑣 < 𝑤𝑠


µ ≤ 30

𝑤𝑠0≤ 𝑣 < 𝑤𝑠


µ ≤ 30

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Gli stati del trasporto: trasporto verticale

e) Trasporto

instazionario a

tampone, trasporto

in corrente densa.

f) Trasporto

stazionario a

spinta, trasporto

in corrente densa.

g) Trasporto quasi-

stazionario a flusso,

trasporto in corrente

densa.

𝑤𝑠0< 𝑣

<>

𝑤𝑠


µ ≫ 30



µ > 30



µ ≫ 30

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Il moto in sospensione fluida

Per analizzare il moto in sospensione fluida in una tubazione di sezione generica Ω inclinata di α

rispetto l’orizzontale, si segue una unità di peso della miscela tra le sezioni Ω1 e Ω2.

න𝑝2

𝑝1 𝑑𝑝

𝛾= 𝑍2 − 𝑍1 + 𝑅 +

𝐺𝑓

𝐺𝑓 + 𝐺𝑔

𝐶22 − 𝐶1

2

2𝑔+

𝐺𝑓

𝐺𝑓 + 𝐺𝑔

𝑉22 − 𝑉1

2

2𝑔

𝛾 = φ𝛾𝑓 + (1 − 𝜑)𝛾𝑔 con

μ =𝐺𝑔

𝐺𝑓=

1 − 𝜑

𝜑

𝑉

𝐶

𝛾𝑔

𝛾𝑓

con ψ =𝑉

𝐶

φ =Ω𝑓

Ω

, μ =𝐺𝑔

𝐺𝑓=

1 − 𝜑

𝜑ψ

𝛾𝑔

𝛾𝑓

(1)

(2)

(3) (4)

𝐺𝑓 = φΩC𝛾𝑓

Tenuto conto di (4) la (2) diviene:γ

𝛾𝑓=

µ+ ψ

µ+ ψ𝛾𝑔

𝛾𝑓

𝛾𝑔

𝛾𝑓

γ = peso specifico della miscela

p = pressione nella sezione Ω

Z = quota della sezione Ω

R = perdite di carico nel tratto l

𝐺𝑓 = portata di fluido

𝐺𝑔 = portata di solido

C = velocità del fluido

V = velocità del solido (V < C)

g = accelerazione gravitazionale

φ = frazione di volume occupata

dal fluido

µ = rapporto di miscela

Ψ = rapporto tra velocità

(5)

(6)

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Il moto in sospensione fluida. Soluzione approssimata

1. Il fluido portante varia lo stato fisico senza apprezzabili variazioni di temperatura, così si può

porre:𝛾𝑓 = 𝛾1

𝑝

𝑝1

𝛾 ≅ 1 +𝜇

Ψ𝛾𝑓 = 1 +

𝜇

Ψ

𝛾1

𝑝1𝑝

𝐺𝑓 = 𝛾𝑓 Ω 𝐶 =𝛾1

𝑝1𝑝 Ω 𝐶

Τ𝑝1 𝛾1

1 +𝜇Ψ

𝑙𝑛𝑝1

𝑝2= 𝑍2 − 𝑍1 + R +

1 + Ψ2𝜇

1 + 𝜇

𝐶12

2𝑔

Ω1

Ω2

𝑝1

𝑝2

2

− 1

𝐶𝑚 =𝐶1

2

Ω1

Ω2

𝑝1

𝑝2+ 1

2. Si individua un valore di Ψ rappresentativo della miscela in tutto il condotto, per cui Ψ e µ sono

costanti.

3. In (6) si può trascurare µ perché piccolo rispetto a ψ𝛾𝑔

𝛾𝑓, per cui le eq. (5) e (6) diventano:

4.Si integra la (1):

5. Per il calcolo delle perdite si fa riferimento alla velocità media:

Ciò equivale a considerare che il fluido portante occupa l’intera sezione (𝜑 ≅ 1).

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Perdite di carico

Considerando il condotto di un impianto come una serie di tronchi rettilinei, collegati tra loro da

curve, raccordi e pezzi speciali, ciascun tratto rettilineo, tipicamente a sezione costante, abbinato

alla rispettiva curva, raccordo o pezzo speciale, determina una perdita di carico data da:

𝑅 = 𝑅𝑎 + 𝑅𝑐

Per il primo tronco si dovrà considerare anche la perdita di imbocco:

𝑅 = 𝑅𝑎 + 𝑅𝑐 + 𝑅𝑖

Un approccio tipico è basato sulla sovrapposizione degli effetti, che considera la somma tra le

perdite associale al fluido e quelle dovute al solido, entrambi derivanti da valori empirici.

𝑅𝑎 =𝑅𝑎𝑓 + 𝜇𝑅𝑎𝑔

1 + 𝜇

𝑅𝑐 =𝑅𝑐𝑓 + 𝜇𝑅𝑐𝑔

1 + 𝜇

𝑅𝑖 =𝑅𝑖𝑓 + 𝜇𝑅𝑖𝑔

1 + 𝜇

𝑅𝑎 = perdite distribuite

𝑅𝑐 = perdite concentrate

𝑅𝑖 = perdite all’imbocco

𝑓 = fluido

g = solido

µ = rapporto di miscela 𝐺𝑔

𝐺𝑓

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Perdite di carico

L’approccio analitico di Weber per la valutazione delle perdite di carico è basato sulla

determinazione di un fattore di attrito unico, in maniera da poter esprimere le perdite di carico con

l’espressione delle perdite distribuite:

∆𝑝 = λ𝜌𝐿

𝑑

𝑣2

2

∆𝑝: perdita di carico

λ: fattore d’attrito

𝐿: lunghezza del condotto

𝑑: diametro del condotto

ρ: densità

v: velocità

Il fattore di attrito di un

fluido che scorre in un

condotto è funzione del

numero di Reynold e

della scabrezza della

tubazione. Il suo valore

è ricavabile dal

diagramma di Moody.

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Le ipotesi di Weber sul trasporto pneumatico sono [1]:

Hp 1: materiale solido a grana fine;

Hp 2: rapporto di miscela/carico basso

∆𝑝 = (λ𝑙 + 𝜇λ𝑧)𝜌𝑙𝐿

𝑑

𝑣2

2(eq. 1)

∆𝒑: perdita di carico𝝀𝒍: fattore di attrito per l’aria𝝀𝒛: fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ𝑙 non è influenzato dal solido𝑳: lunghezza del condotto𝒅: diametro del condotto𝝆𝒍: densità dell’ariav: 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡àμ: rapporto di miscela

λ𝑧 =2 ∗ ∆𝑝 ∗ 𝑑

𝜌𝑙 ∗ 𝐿 ∗ 𝑣2 ∗ 𝜇−

λ𝑙

𝜇

Weber afferma che per i carichi minori si osservano valori negativi di 𝜆𝑧, quindi per evitare

questo introduce un singolo fattore di attrito per l’intera miscela.

Perdite di carico

L’espressione classica per le perdite distribuite per il trasporto pneumatico è:

∆𝑝 = λ𝑔𝑒𝑠𝜌𝑙𝐿

𝑑

𝑣2

2(eq.2)

∆𝒑 : perdita di carico

𝝀𝒈𝒆𝒔: coefficiente d’attrito per la miscela

𝑳 : lunghezza del condotto

𝒅 : diametro del condotto

𝝆𝒍 : densità dell’aria

v : velocità28/108


Perdite di carico

Secondo l’analisi di Weber, l’utilizzo di un unico fattore di attrito introduce un errore relativo medio

lineare molto minore rispetto all’errore generato dell’equazione classica per le perdite di carico.

λ𝑧 = 2,1 ∗ 𝜇−0,3 ∗ 𝐹𝑟−1 ∗ 𝐹𝑟𝑠

0,25 ∗𝑑𝑠

𝑑

−0,1

Errore relativo medio lineare: ±64%

Equazione classica

Secondo il modello di Stegmaier [2] per l’equazione

classica delle perdite di carico, se il fattore di attrito

dell’aria λ𝑙 non è influenzato dal solido, il fattore di

attrito del solido è dato da:

λ𝑔𝑒𝑠 = 0,02 ∗ 𝜇0,657 ∗ 𝐹𝑟−0,8 ∗ 𝐹𝑟𝑠

0,225 ∗𝑑

𝑠

𝑑

−0,194∗

𝜌𝑠

𝜌𝑙

0,1865

Equazione di Weber

Secondo Weber, la forma dell’unico fattore di attrito

da inserire nell’equazione (2) è:

Errore relativo medio lineare: ±37.1%

𝝀𝒛: fattore di attrito aggiuntivo per il solidoquando λ𝑙 non è influenzato dal solido

𝑭𝒓: 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑖 𝐹𝑟𝑜𝑢𝑑𝑒 =𝑉2

𝑑𝑔

𝑭𝒓𝒔: 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑖 𝐹𝑟𝑜𝑢𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟 𝑖𝑙 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜 =𝑤𝑠0

2

𝑑𝑠𝑔𝒅: 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑜𝑡𝑡𝑜𝒅𝑠: 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒𝑙𝑙𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑐𝑒𝑙𝑙𝑒μ: rapporto di miscelaws0: velocità di caduta della singola particellag: accelerazione di gravità𝝆𝒍, 𝝆𝒔: 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡à 𝑑𝑖 𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜𝝀𝒈𝒆𝒔: fattore di attrito della miscela

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Perdite di carico

Equazione classica

Se il fattore di attrito dell’aria λ𝑙 è influenzato dal solido e dal numero di Reynolds, si ha:

Errore relativo medio lineare: ±30%

Equazione di Weber

La forma dell’unico fattore di attrito da inserire nell’equazione (2) per i materiali ruvidi di Szikszay

[3] è:

Errore relativo medio lineare: ±13,74%𝑭𝒓: 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑖 𝐹𝑟𝑜𝑢𝑑𝑒 =

𝑉2

𝑑𝑔


2

𝑑𝑠𝑔𝒅𝑠: 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒𝑙𝑙𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑐𝑒𝑙𝑙𝑒ws0: velocità di caduta della singola particellag: accelerazione di gravità𝝆𝒍, 𝝆𝒔: 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡à 𝑑𝑖 𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜𝑹𝒆: 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑖 𝑅𝑒𝑦𝑛𝑜𝑙𝑑𝑠𝝀𝒈𝒆𝒔: fattore di attrito della miscela

𝑺𝒛: 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑖 𝑐𝑜𝑙𝑙𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝝁𝑹 = 𝑓𝑎𝑡𝑡𝑜𝑟𝑒 𝑑𝑖 𝑐𝑜𝑙𝑙𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑚𝑒𝑐𝑐𝑎𝑛𝑖𝑐𝑜

∆𝑝 = (0,3164

𝑅𝑒0,25∗𝛼+ 𝜇λ𝑠)𝜌𝑙

𝐿

𝑑

𝑣2

2λ𝑠 = 0,0223 ∗ 𝜇0,741 ∗ 𝐹𝑟

−0,872 ∗ 𝐹𝑟𝑠0,268 ∗

𝑑𝑠

𝑑

−0,259∗

𝜌𝑠

𝜌𝑙

0,081

λ𝑔𝑒𝑠 = 𝜇0,079 ∗ 𝐹𝑟−0,208 ∗

𝑑𝑠

𝑑

−0,03∗

𝜌𝑠

𝜌𝑙

−0,363∗ 𝑆𝑧 ∗ 𝜇𝑅

0,0532

∆𝒑: perdita di carico𝝀𝒍: fattore di attrito per l’aria𝜶: fattore = 1,3𝝀𝒔: fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ𝑙 è influenzato dal solido𝑳: lunghezza del condotto𝒅: diametro del condotto𝝆𝒍: densità dell’ariav: 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡àμ: rapporto di miscela

con

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Perdite di carico

Partendo dai 399 punti di misura di Siegel [4], Weber ha dimostrato la dipendenza di 𝝀𝒍 da μ:

𝑭𝒓: 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑖 𝐹𝑟𝑜𝑢𝑑𝑒 =𝑉2

𝑑𝑔


2

𝑑𝑠𝑔𝒅𝑠: 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒𝑙𝑙𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑐𝑒𝑙𝑙𝑒ws0: velocità di caduta della singola particellag: accelerazione di gravità𝝆𝒍, 𝝆𝒔: 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡à 𝑑𝑖 𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜𝑹𝒆: 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑖 𝑅𝑒𝑦𝑛𝑜𝑙𝑑𝑠𝝀𝒈𝒆𝒔: fattore di attrito della miscela

𝑺𝒛: 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑖 𝑐𝑜𝑙𝑙𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝝁𝑹 = 𝑓𝑎𝑡𝑡𝑜𝑟𝑒 𝑑𝑖 𝑐𝑜𝑙𝑙𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑚𝑒𝑐𝑐𝑎𝑛𝑖𝑐𝑜

∆𝒑: perdita di carico𝝀𝒍: fattore di attrito per l’aria𝜶: fattore = 1,3𝝀𝒔: fattore di attrito aggiuntivo per il solido quando λ𝑙 è influenzato dal solido𝑳: lunghezza del condotto𝒅: diametro del condotto𝝆𝒍: densità dell’ariav: 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡àμ: rapporto di miscela

∆𝑝 = (λ𝑙(𝑓(𝜇)) + 𝜇λ𝑠)𝜌𝑙

𝐿

𝑑

𝑣2

2

λ𝑠 = 0,0407 ∗ 𝜇−0,525 ∗ 𝐹𝑟−0,385 ∗ 𝐹𝑟𝑠

0,11 ∗ 𝑅𝑒−0,084 ∗𝑊𝑠0

𝑣

−0,258∗

𝑑𝑠

𝑑

0,138∗

𝜌𝑠

𝜌𝑙

0,283∗ 𝑆𝑧0,133 ∗ 𝜇R

0,195

λ𝑙 =0,1

𝑅𝑒0,151 ∗1

1+𝜇0,7

Errore relativo medio lineare: ±6,15%

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L’approccio analitico di Weber, basato sulla determinazione e l’utilizzo di un unico fattore di attrito,

presenta alcuni limiti di applicabilità:

1- l’equazione di Weber si riferisce solo al trasporto pneumatico in fase diluita (la fase densa

non è considerata);

2- in un unico fattore di attrito non è possibile inserire le caratteristiche del materiale.

Perdite di carico

Bibliografia [1] M. Weber: Friction of the air and the mixture at pneumatic conveyance, Multiphase flow

engineering, ANIMP, Trieste 1990, pp 41-50

[2] Stegmaier, W: Zur Berechnung der horizontalen pneumatischen Foderung feinkorniger stoffe,

f+h –Fordem und Heben 28 1978 nr 576 pp 363-366

[3] Szikszay, G: Feststoffreibungsbeiwert bei der pneumatischen Dunnstromforderung.

Dissertationen Karlsruhe 1987

[4] Siegel, W: Exp. Unters zur pneum Forderung korniger Feststoffe in waager. Rohrleitungen und

Uberprufung der Ahnlichkeitsgesetze. VDI Forschungsbericht 538, 1970.

[5] Fabbri, S.: Elementi di impiantistica meccanica – Aria e acqua – Pitagora Editrice Bologna, 1990

ISBN 88-371-0521-532/108


L’approccio utilizzato da David Mills è di tipo

empirico, in quanto determina le perdite di carico

per via sperimentali, raccogliendo i risultati ottenuti

con diverse condizioni del trasporto pneumatico in

termini di:

- materiale trasportato;

- disposizione del condotto (orizzontale/verticale);

- diametro del condotto;

- rapporti di miscela;

- presenza di curve, pezzi speciali…

Le due immagini si riferiscono ai risultati

sperimentali su perdite di carico per

metro nel trasporto pneumatico di barite

in un condotto di 50 mm di diametro.

Il limite di questo approccio è che, se

anche uno solo dei parametri è diverso da

quello utilizzato nella sperimentazione, i

valori risultanti in termini di perdita di

carico non sono validi.

[6] Mills, D: Pneumatic conveying design guide;

Editore Butterwoths, 1990, ISBN 0-408-04719-433/108


Per superare i limiti degli approcci precedenti per la determinazione delle perdite di carico, è

necessario utilizzare un approccio misto che metta assieme simulazione e validazione empirica.

Infatti, il problema della modellazione del trasporto pneumatico non trova soluzione nell’idraulica

e nell’idrodinamica, per cui è difficile trovare un’espressione delle perdite di carico per via analitica

[7].[7] Ferretti, G.: Calcolo degli impianti per il trasporto pneumatico di materiali sfusi, Fluid n. 231/232, luglio/agosto

1983.

In particolare, non è possibile trovare un unico coefficiente d’attrito in quanto nel trasporto

pneumatico avvengono 4 diverse modalità di trasporto, caratterizzate ciascuna da un proprio

fattore d’attrito:

1. accelerazione iniziale;

2. sviluppo rettilineo;

3. sviluppo in curva;

4. accelerazione dopo la curva (≠ da 1).

Perdite di carico

L’approccio simulativo consiste nel suddividere il problema in (i+1) sezioni, per le quali calcolare i

valori di alcuni parametri e le loro variazioni lungo il condotto. Il software TPSimWin, sviluppato

presso il DIN, consente di valutare, step by step, alcuni parametri del trasporto pneumatico, quali a)

perdite di carico, b) velocità del solido e dell’aria, e c) grado di vuoto.

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Le equazioni su cui si basa la simulazione con TPSimWin sono [8]:

1. Equazione di continuità del gas

2. Equazione di continuità del solido

3. Equazione di stato del gas

4. Equazione differenziale del moto

5. Equazione differenziale delle perdite di carico.

𝑣 =4𝐺

𝜋 𝐷2𝑒𝑚𝜌𝑓

𝑐 =4𝐺

𝜋 𝐷2(1 − 𝑒)𝜌𝑠

𝑝

𝜌𝑓= 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒

𝑑𝑐

𝑑𝑙=

3

4

𝑐𝑤

𝑑𝑠

ρ𝑓

ρ𝑠 𝑒

(𝑣 − 𝑐)2

𝑐−

1

𝑐𝑔 sin β + λ𝑠

𝑐2

2𝐷+

ρ𝑓

𝑐 ρ𝑠𝑔 sin β + λ𝑓

𝑣2

2𝐷+ 𝑣

𝑑𝑣

𝑑𝑙+

1 − 𝑒

𝑒

ρ𝑠 − ρ𝑓

ρ𝑠𝑔

𝑤𝑠

𝑐 𝑣𝑐𝑜𝑠2𝛽

𝑑𝑝

𝑑𝑙𝑒ρ𝑓

𝑣2

𝑝− 1 = 𝑒 ρ𝑓𝑔 sin β + λ𝑓

ρ𝑓

2

𝑣2

𝐷+ 1 − 𝑒 ρ𝑠 − ρ𝑓 𝑔𝑐𝑜𝑠2𝛽

𝑤𝑠

𝑣+ ρ𝑠𝑔 sin β + λ𝑠

ρ𝑠

2

𝑐2

𝑑+ (1 − 𝑒) 𝜌𝑠𝑐 − 𝜌𝑓

𝑣2

𝑐

𝑑𝑐

𝑑𝑙

v = velocità del gas;

c = velocità del solido;

G = portata del solido;

ρf = densità del gas;

D = diametro del condotto;

e = volume interstiziale

m = rapporto di miscela

p = pressione statica;

cW = coefficiente di resistenza;

ρs = densità del solido;

β = inclinazione del condotto;

l = direzione assiale;

g = accelerazione gravitazionale

λs = coefficiente di attrito del solido;

λf = coefficiente di attrito del gas;

ws = velocità di caduta della particella

[8] Saccani, C.: Determinazione delle grandezze caratteristiche dei trasporti pneumatici mediante un nuovo

metodo di calcolo step-by-step; Impiantistica Italiana, n.10, ottobre 1990 35/108


Dati di input per il software TPSimWin

Impianto

1. Impianto in aspirazione/ compressione;

2. Tipo di tubazione;

3. Lay-out dell’impianto: numero di tratti rettilinei o curvi e rispettivi diametri D e lunghezze l

(anche per il tratto iniziale);

4. Numero di intervalli in cui dividere la lunghezza del condotto;

5. Inclinazione del condotto β.

Fasi solido e gas

6. Portata di materiale da trasportare G;

7. Rapporto di miscela m;

8. Peso specifico del solido ρs;

9. Espressioni dei 4 tipi di coefficienti di attrito λs e λf;

10. Diametro medio delle particelle ds;

11. Temperatura del fluido di trasporto.

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Procedimento del software TPSimWin

a) Calcolo della velocità del gas v assumendo un valore del volume interstiziale di primo tentativo.

b) Calcolo della pressione p considerando le perdite dovute al dispositivo di immissione del solido.

c) Determinazione iterativa della densità del fluido ρf per un dato valore di temperatura e della

pressione calcolata.

d) Calcolo iterativo della velocità di caduta libera della particella ws (funzione di cW che dipende

dal numero di Reynolds del solido Res che dipende da ws stessa).

e) Calcolo dei valori di cW e Res per tutte le sezioni.

f) Calcolo del coefficiente di attrito del solido λs (funzione di v, c, ws, m, D).

g) Calcolo del numero di Reynolds Ref e del fattore di attrito λf dell’aria.

37/108


Procedimento del software TPSimWin

h) Calcolo del gradiente di velocità𝑑𝑐

𝑑𝑙, fissando valori di primo tentativo per velocità del solido c e

volume interstiziale e, e considerando che nella prima iterazione ρg >>ρf.

i) Calcolo del gradiente di pressione𝑑𝑝

𝑑𝑙fissando un valore di primo tentativo per le perdite di

carico e utilizzando come densità del fluido la media tra le densità nelle sezioni di ingresso e

uscita del tratto considerato. Ne derivano anche i valori di pressione, densità e velocità del

fluido nel tratto successivo.

j) Calcolo del volume interstiziale e.

k) Calcolo della velocità del solido c nella sezione successiva.

l) Calcolo del volume interstiziale e nella sezione successiva.

m) Calcolo della velocità del gas v nella sezione successiva.

n) Calcolo del nuovo Ref.

38/108


Perdite di carico

Con il procedimento descritto, il software è in grado di simulare l’andamento delle perdite di carico

lungo la tubazione, in funzione di alcuni parametri.

Andamento delle perdite di carico in

funzione del rapporto di miscela m per un

impianto di trasporto di polipropilene.

Lunghezza trasporto: 58,25 m.

Diametro del condotto: D= 101,6 mm (3’ ½).

Granulometria media: ‘grains’ 3 mm;

‘flakes’ 0,4 mm.

Portata di solido 10 t/h.

Cesare Saccani

“A new simulation program for designing

pneumatic conveying plants”,

Bulk Solids Handling, volume 13 n° 1,

febbraio 1993, Trans Tech Publication, Germany.

39/108


La simulazione fornisce il valore del volume interstiziale (e o Ɛ) lungo la

tubazione e anche nella sezione iniziale.

Il volume interstiziale è definito come il rapporto tra la sezione del

condotto occupata dall’aria (Aa) e l’intera zione del condotto (A).

Volume interstiziale

All’interno di un volume elementare di lunghezza dl si può avere la stessa massa solida distribuita

in maniera diversa:

𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑛𝑒𝑙 𝑡𝑟𝑎𝑠𝑝𝑜𝑟𝑡𝑜 𝑑𝑖𝑙𝑢𝑖𝑡𝑜 𝑀𝑑 = 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑛𝑒𝑙 𝑡𝑟𝑎𝑠𝑝𝑜𝑟𝑡𝑜 𝑑𝑖 𝑢𝑛 𝑡𝑎𝑝𝑝𝑜(𝑀𝑠)

La simulazione non considera ciò che accade nella fase iniziale, ma parte da ciò che accade dopo

una distanza pari a 5 volte il diametro, distanza per la quale ciò che accade prima non influisce più

sui tratti successivi. La sezione iniziale richiede una maggiore attenzione.

40/108


41

Md

Ms

𝑀𝑑 = 𝑀𝑠

𝑀𝑑 = 𝐴𝑠 𝑑𝑙 𝜌𝑠

𝑀𝑠 = 𝐴 𝑑𝑙𝑠 𝜌𝑏𝑠

𝐴𝑠 𝑑𝑙 𝜌𝑠 = 𝐴 𝑑𝑙𝑠 𝜌𝑏𝑠

𝑑𝑙𝑠

𝑑𝑙=

𝐴𝑠 𝜌𝑠

𝐴 𝜌𝑏𝑠

𝜀 =𝐴𝑎

𝐴= 1 −

𝐴𝑠

𝐴

1 − 𝜀 =𝐴𝑠

𝐴

𝑑𝑙𝑠

𝑑𝑙= (1 − 𝜀)

𝜌𝑠

𝜌𝑏𝑠

𝜌𝑠= densità del solido

𝜌𝑏𝑠 = densità in mucchio del solido

Quindi, se le caratteristiche del materiale e il volume interstiziale iniziale (da TPSimWin) sono noti,

è possibile valutare il rapporto tra il volume occupato dal tappo e quello occupato dall’aria.

È preferibile che il rapporto 𝑑𝑙𝑠

𝑑𝑙non superi un certo valore, che limita la dimensione del tappo.

41/108


42

Perdite di carico

TPSimWin consente di

valutare le perdite di carico

nel primo tratto del trasporto,

attraverso il coefficiente di

attrito cinetico 𝑓𝑘.

All’inizio l’aria compressa

agente sul tappo deve

vincere sia la forza di

inerzia, sia la forza di attrito.

Nella fase di partenza del

tappo, le forze di attrito non

dipendono dal coefficiente di

attrito cinetico, ma da quello

statico 𝑓𝑠.

42/108


43

Coefficiente di attrito statico

Coefficiente di attrito cinetico

Spostamento del mucchio

(da Rabinowicz, 1951)

Il coefficiente di attrito statico 𝑓𝑠 (o 𝜇𝑠) solitamente è più alto di quello cinetico 𝑓𝑘 (o 𝜇𝑘) (fino a 7

volte a seconda dei materiali considerati).

Nel caso peggiore (𝑓𝑠 = 7𝑓𝑘), il mucchio nella prima fase del trasporto genera una perdita di carico

7 volte maggiore per via dell’attrito. Questa perdita di carico influenza la velocità dell’aria, che

diminuisce. Ne consegue che si può superare la pressione limite dell’aria del compressore e il

trasporto pneumatico può essere esposto ad un improvviso blocco.

43/108


Agenda


44/108




Raw material

Clay medium size: 10-20 cm

Feldspar medium size: 2-5 cm

WaterAtomized slip

Particles final size: 100-600 μm

Polvere fine dispersa in atmosfera:

elevato impatto ambientale

Processo produttivo delle piastrelle di ceramica

Hot

Air


45/108

Introduction

46

Spray dryer –

Sezione di scarico

46/108

Introduction

47

Alimentazione dei

silos intermedi

47/108

Vantaggi del trasporto con nastri:

- Affidabilità e semplicità di gestione;

- Assenza di danni al prodotto;

- Bassa variazione dell’umidità dell’atomizzato.

Svantaggi del trasporto con nastri:

- Contaminazione di polvere nell’ambiente di lavoro;

- Maggiori costi di investimento e di gestione;

- Maggiore occupazione del lay-out produttivo;

- Possibile contaminazione del prodotto lungo il trasporto.

48/108


Vantaggi del trasporto pneumatico:

- Evita problemi dovuti alla dispersione di polvere;

- Bassi costi di investimento e gestione.

Svantaggi del trasporto pneumatico:

- Danni al prodotto per alte velocità del solido (se maggiore di 7 m/s) unite a gradienti

di velocità del solido (se maggiore di 8 s-1);

- Maggiore rischio di variazione dell’umidità dell’atomizzato.

49/108


50/108


Impianto di trasporto pneumatico

dell’atomizzato di barbottina

Come effettuo il dimensionamento dell’impianto?

Si parte dai dati di progetto:

1. Tipologia di materiale da trasportare e relative

caratteristiche (se note);

2. Limitazioni al trasporto oltre quale limite di

«danneggiamento» il materiale trasportato è da

considerarsi non utilizzabile per il processo

produttivo (ad esempio, massima percentuale di

«fine» nella curva granulometrica);

3. Portata di solido ms da trasportare (in tonnellate

all’ora);

4. Lunghezza e geometria del percorso

(solitamente dipendenti dal lay-out produttivo).

51/108


m

Dp

Pe

rdit

a d

i c

aric

o

Ms = cost

d=cost

Impianto di trasporto pneumatico dell’atomizzato di barbottina

Il progettista deve dimensionare l’impianto in base ai seguenti parametri, che sono tra

loro collegati:

- Modalità di trasporto – fase diluita o fase densa;

- Diametro della tubazione d;

- Portata di aria ma (in tonnellate all’ora);

- Taglia del compressore.

Ritorniamo, dunque, al problema della determinazione della perdita di carico Dp

realizzata dal trasporto pneumatico che si vuole dimensionare.

Attenzione! Il diagramma di stato m vs. Dp varia al variare del diametro della tubazione

d!


52/108


Diluito vs. Denso

•Il progettista sceglie la modalità di trasportopiù adatta: nel caso dell’atomizzato dibarbottina si è obbligati a scegliere la fasedensa.

Diametro • ?

Portata di aria • ?

Perdita di carico

?


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Fase densa

Diametro•DN in funzione di ms

Portata di aria

• m=ms/ma

Perdita di carico

Se non si hanno a disposizione altri strumenti, il progettista si basa

sulla esperienza, ovvero sulla realizzazione di impianti di trasporto

con materiale e portata simile che hanno funzionato valutazioni

empiriche sul diametro d e sul rapporto di miscela m.

?


54/108


Fase densa

Diametro•DN in funzione di ms

Portata di aria

• m=ms/ma

Perdita di carico

Anche la perdita di carico viene stimata in base

all’esperienza (solitamente in funzione di una

perdita in mbar per metro lineare), e quindi si

tende a sovradimensionare il compressore in

maniera tale da avere pressione e portata a

disposizione.

Q ↑ : è utile per diluire il trasporto, se necessario

(si veda iniezione in linea).

∆p ↑ : è utile per vincere la resistenza del

«tappo», se necessario.

Pel = m * ∆h / η

Pel: potenza assorbita dal compressore (kW)

m: portata in massa di aria (kg/s)

∆h: salto entalpico (kJ/kg)

η: rendimento di compressione

∆p

Se Q è maggiorata,

Se ∆p è maggiorata,

Allora Pel è maggiorata «due volte»!


Come si effettua il dimensionamento avendo a disposizione il TPSimWin?

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Fase densa

•Si opera in fase densa per preservare il prodotto durante iltrasporto.

Simulazione

• Si definiscono diversi diametri di.

• Per ogni diametro di vengono simulati diversi trasporti con mvariabile, avendo identificato a priori dei valori di tentativoper attrito del solido in curva, attrito del solido in rettilineo edimensione equivalente del diametro della particella.


Esito della simulazione (i risultati sono mostrati in riferimento a un rapporto di miscela mmax per

preservare il know-how aziendale).

56/108


Rapporto m basso: m/mmax= 0,68

• ∆p = 205 mbar

• Velocità massima del solido > 7 m/s

• Velocità del solido ≈ velocità dell’aria

(trasporto a rischio)

Rapporto m elevato: m/mmax= 0,93

• ∆p = 355 mbar

• Velocità massima del solido < 7 m/s

• Velocità del solido < velocità dell’aria



57/108


Fase densa

•Si opera in fase densa per preservare il prodotto durante il trasporto.

Simulazione


• Per ogni diametro di vengono simulati diversi trasporti con m variabile, avendoidentificato a priori dei valori di tentativo per attrito del solido in curva, attrito delsolido in rettilineo e dimensione equivalente del diametro della particella.

Prova sperimentale

• La velocità di caduta libera viene valutata con una semplice prova sperimentaleper ricavare il valore del diametro equivalente delle particelle. Conoscere lavelocità di caduta libera è utile anche per dimensionare correttamentel’eventuale trasporto in verticale.


Calcolo della velocità di caduta libera

58/108


Qual è la velocità di caduta libera vL per una sfera di massa m e

raggio r che cade in un fluido (aria) con coefficiente di viscosità ?

Visto che i due vettori Fv (legge di Stokes) e FP hanno versi opposti,

l’intensità di Ftot è data dalla differenza tra i valori di Fp e Fv.

Quando le due forze si eguagliano, nell’ipotesi di flusso laminare si

ottiene la relazione:

6rvL = mg =4

3ρr3g

r2 =9

2

𝜇𝑣𝐿

𝜌𝑔 misurando vL, misuro r delle particelle!

Ci sono diverse modalità di misura della velocità di caduta libera:

una delle più semplici e meno costose consiste nel fotografare con

scatti ripetuti ad alta frequenza la caduta di particelle una volta che

queste abbiano raggiunto vL.



59/108


Fase densa

•Si opera in fase densa per preservare il prodotto durante il trasporto.

Simulazione


• Per ogni diametro di vengono simulati diversi trasporti con m variabile, avendoidentificato a priori dei valori di tentativo per attrito del solido in curva, attrito del solidoin rettilineo, velocità di caduta libera e dimensione equivalente della particella.

Prova sperimentale

• Diametro equivalente della particella misurato con prova di caduta libera.

• I rimanenti parametri (attrito in rettilineo ed in curva) vengono misurati attraverso delleprove sperimentali di trasporto condotte con la portata ms di progetto all’interno diun circuito con diametro d noto.

Agenda


60/108




61

Trasporto pneumatico: impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dell’atomizzato di barbottina

La realizzazione di un impianto di trasporto pneumatico per l’atomizzato di barbottina è

stata co-finanziata dalla regione Emilia-Romagna all’interno del ‘Programma regionale

per la ricerca industriale, l’innovazione e il trasferimento tecnologico’.

I partner del progetto sono Technosilos snc, un’Azienda italiana dinamicamente

coinvolta nel campo del trattamento e dello stoccaggio di materiali in mucchio, e il

Dipartimento di Ingegneria Industriale (DIN) dell’Università di Bologna.

È stata sviluppata e brevettata una soluzione per mantenere costante l’umidità del solido

lungo la tubazione controllando:

- l’umidità dell’aria compressa;

- la temperatura d’ingresso dell’atomizzato;

- la temperatura di saturazione dell’aria portante come funzione delle perdite di carico.

Inoltre, l’impianto sperimentale del trasporto pneumatico è stato utilizzato per

confermare le previsioni simulate con il software TPSimWin.

61/108

62

Vista isometrica

dell’impianto

sperimentale

Ingresso

atomizzato

Trasporto pneumatico: impianto sperimentaleImpianto di trasporto pneumatico dell’atomizzato di barbottina

62/108

Sviluppo lineare del percorso pari a circa 100 metri

63

300

350

400

450

500

550

600

650

700

50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Loading ratio m

Pre

ssu

re l

oss [

mb

ar]

d=77mm d=86mm d=99mm

d=86mm è la scelta migliore perché

la curva è più piatta (maggiore

stabilità nel trasporto)

Dimensionamento impianto sperimentale

Grazie al software TPSimWin è possibile valutare l’andamento delle perdite di

carico al variare del rapporto di miscela m per 3 diversi diametri del condotto d.

Trasporto pneumatico: impianto sperimentale

63/108

ms=cost

64


TPSimWin è stato poi utilizzato per scegliere il rapporto di miscela m

ottimale per il trasporto.

La scelta è stata fatta considerando le previsioni fatte su:

- velocità del solido (V);

- gradiente di velocità del solido (gradV).

La velocità e il gradiente di velocità del solido sono profondamente

connessi. In particolare, il limite massimo del gradiente di velocità

dipende dal limite massimo della velocità del solido.

La velocità massima per la barbottina viene stabilita in 7 m/s: oltre questo

valore il rischio di deterioramento del materiale è molto elevato.


64/108

Il gradiente di velocità: significato fisico

La variazione di energia cinetica (ΔE) è correlata al gradiente di velocità.

Le perdite di energia sono connesse con il danno del prodotto: c’è una

relazione di proporzionalità tra il volume del solido rimosso dall’usura e/o

abrasione e l’energia coinvolta in questo fenomeno.

Esempio numerico con gradV = 1 s-1:

V1 =5 m/s

V2 =4 m/s

V1 =25 m/s

V2 =24 m/s

65

ΔE ≈ V12 – V22 = 9 m2/s2

ΔE ≈ V12 – V22 = 49 m2/s2 (5 volte di più!)


65/108

L

ΔV

Vmax=8,5 m/s

7 m/s

Gradiente di velocità media:

gradV=ΔV/L [s-1]


66/108


Risultato simulazione d=86 mm, m=60.

→ Sviluppo lineare percorso

Perdita di carico ∆p

Velocità del solido

Velocità dell’aria

7 m/s



L

ΔV

67/108


Trasporto critico!

-3,5

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 40.000 45.000 50.000 55.000 60.000 65.000 70.000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1/s

]

68Calculation step: 2 cmgradV max = 3,5 s-1

gradV min = -3,0 s-1


68/108



69

Il gradiente di velocità: l’influenza dei parametri di simulazione

Il gradiente di velocità del solido calcolato con il TPSimWin potrebbe

risultare localmente con alti valori se lo step di calcolo è molto piccolo

(mesh con step di calcolo inferiore a 2-3 cm). Ciò significa che solo una

piccola quantità di materiale è coinvolta nel calcolo.

Un’analisi con uno step di calcolo con valori attorno a 25-26 cm fornisce

una situazione più rappresentativa delle tensioni reali sul solido.

Quindi, per valutare l’usura e l’abrasione del solido è consigliabile evitare

step di calcolo troppo corti.


69/108

70

-3,5

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 40.000 45.000 50.000 55.000 60.000 65.000 70.000

Length [mm]

Solid

sp

eed

gra

die

nt

[1/s

]

Calculation step=2 cm Calculation step=26 cm

gradV max = 2,5 s-1

gradV min = -1,8 s-1


70/108



Calculation step: 26 cm


Vista isometrica

dell’impianto

sperimentale

71/108


.


P&ID dell’impianto

sperimentale

72/108https://www.youtube.com/watch?v=KVXbhtF0cmY

C Air compressor

FA Ambient air filter

FO Coalescent filter for oil

c

FA

FO

https://www.youtube.com/watch?v=KVXbhtF0cmY

73

Motocompressore Mattei DRS1085

rotativo a palette

Caratteristiche Valore

Pressione di esercizio [bar] 10

Resa d’aria libera effettiva [m3/min] 8,5

Raffreddamento olio Ad aria

Potenza massima erogata a regime dal motore Diesel Perkins [kW] 74

Range di temperatura ammissibile per l’aria in ingresso [°C] Da -5 a +40

Umidità relativa ammissibile dell’aria in ingresso ≤90%

Trasporto pneumatico: impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali: il compressore

73/108

74

Trasporto pneumatico: impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali:

il compressore

L’aria viene aspirata attraverso un filtro e passa

attraverso la valvola di modulazione, che

regola la portata in funzione della richiesta.

L’aria entra in una camera di compressione

costituita da statore e rotore, quest’ultimo è

posto eccentricamente al primo. Nel rotore

sono inserite (in apposite scanalature) delle

palette mobili, che a causa della forza

centrifuga di rotazione del rotore, scorrendo,

creano dei settori variabili dove l’aria viene

compressa al diminuire del volume. Le palette

premono contro la parete dello statore per la

forza centrifuga scorrendo sopra un

sottilissimo film d’olio che riduce l’usura e

mantiene la perfetta tenuta dell’aria compressa.

74/108

Regolazione della portata di aria

Per garantire l’integrità dell’atomizzato di barbottina durante il trasporto

pneumatico, la velocità di trasporto va mantenuta sotto a 7 m/s, per cui è

necessario un trasporto in fase densa.

L’andamento delle perdite di carico lungo il circuito in funzione del

rapporto di miscela m (kg di solido su kg di aria) mostra un minimo. Non

tutti i materiali presentano tale minimo, mentre per altri risulta compreso

in una zona nel quale il trasporto risulta instabile.

m

Dp

Per

dita

di c

aric

o


In figura: andamento qualitativo delle perdite

di carico in un trasporto pneumatico in

funzione del rapporto di miscela (kg di solido

per kg di aria) considerando costante la

portata in massa del solido.

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Regolazione della portata di aria

Le condizioni al contorno del trasporto in fase densa vanno

accuratamente valutate allo scopo di evitare di scegliere un valore di

rapporto di miscela m troppo vicino al valore corrispondente al valore di

perdita di carico minimo (cerchio rosso in Figura). Infatti, se le condizioni

nominali di progetto sono troppo vicine al valore minimo di perdita di

carico, un incremento di quest’ultima può indistintamente essere letto

come un passaggio in fase diluita o in fase densa, rendendo così difficile

la regolazione dell’aria.

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m

Dp

Per

dita

di c

aric

o


Regolazione della portata di aria: carico costante e fase diluita (caso #1)

La portata di aria viene regolata con logica PID attraverso una valvola di

regolazione (VR).

Nel caso di utenza a pressione costante, il carico è costante e quindi non

si hanno fluttuazioni della pressione a valle di VR. In questo caso va

mantenuta costante anche la pressione a monte della valvola di

regolazione VR attraverso una valvola regolatrice di pressione (VRP).

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Regolazione della portata di aria: carico variabile e fase diluita (caso #2)

Nel caso di utenza a pressione variabile, il carico risulta variabile e quindi

si hanno delle fluttuazioni della pressione a valle della valvola di

regolazione VR.

Per mantenere costante il Δp sulla VR occorre utilizzare una VRP che

“senta” entrambe le pressioni, eseguendo una compensazione quando

l’utenza varia il proprio carico. Ad esempio, se VR si chiude, pv cala e pm

aumenta. Per ristabilire il Δp corretto si dovrà quindi chiudere anche VRP.

Si possono utilizzare attuatori pneumatici a doppio effetto o misurare la

pressione differenziale ai capi della valvola VR e quindi impiegare

attuatori elettrici o elettro-pneumatici.

78/108


Regolazione della portata di aria: fase densa (caso #3)

Nel trasporto in fase densa, durante la formazione del tappo, la pressione

pv a valle della valvola di regolazione VR varia. Per riuscire ad alimentare

l’impianto con la portata di aria richiesta, anche a fronte di un calo del ΔP

sulla valvola di regolazione della portata VR (per la formazione del tappo

nel trasporto), si può inserire tra le due valvole (VRP e VR) un serbatoio di

accumulo S. La valvola regolatrice di pressione VRP riduce la pressione

data dal compressore, fino al valore richiesto pm, mentre il serbatoio

agisce come accumulo di aria per garantire una sufficiente reattività della

valvola regolatrice di portata VR. Infatti, per controllare la formazione del

tappo, la regolazione della portata di aria deve essere rapida, per cui la

valvola VR deve essere molto vicina alla stellare e il serbatoio deve

essere sufficientemente grande per fornire la portata di aria richiesta

durante la formazione del tappo.

79/108


Regolazione della portata d’aria: fase densa (caso #4)

Impiegando la soluzione (caso #3) precedente la regolazione PID della

valvola di regolazione VR provocava un ritardo di 2-3 s.

Per eliminare il tempo di ritardo si è deciso di far lavorare la valvola di

regolazione VRPA a punto fisso, dal momento che il compressore

installato è volumetrico e autoregolato alla pressione di mandata (la

regolazione di portata è direttamente demandata al compressore).

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RotocellaVRPA

La valvola regolatrice di portata VRPA

La valvola regolatrice di portata è comandata in tensione (0-10 V) e apre e chiude grazie

al movimento di un otturatore (lineare, equi-percentuale o ad apertura rapida) che

strozza il condotto di passaggio dell’aria, consentendo di ottenere la portata richiesta

dall’impianto. La valvola scelta per l’impianto è ad azione inversa, ossia normalmente

chiusa in assenza di tensione.

81/108


2

v

pp

Td

4.480

GK

Tdp8.239

GK

1

v

1) Pressione assoluta a valle della valvola

superiore al 53% della pressione assoluta

di ingresso

2) Pressione assoluta a valle della valvola

inferiore al 53% della pressione assoluta di

ingresso

G = portata massica (Nm3/h)

∆p = pressione differenziale (bar)

p1= pressione assoluta a monte della valvola

(bar)

p2= pressione assoluta a valle della valvola (bar)

d = densità relativa all’aria in condizioni normali

T = temperatura assoluta (K)

Kv= quantità di acqua in m3a 15°C che attraversa in 1 ora la valvola con pressione

differenziale di 1 bar

(Kvs: valore fornito dal costruttore, da confrontare

con Kv calcolato, per la scelta della tubazione)

82/108

Trasporto pneumatico: impianto sperimentaleLa valvola regolatrice di portata VRPA: dimensionamento

Determinato il Kv e scelta la

dimensione della valvola tramite il

Kvs, si ottengono anche tutte le altre

dimensioni della valvola dal

catalogo del fornitore individuato.

83/108

La valvola regolatrice di portata VRPA: dimensionamento


84/108

Trasporto pneumatico: impianto sperimentaleLa valvola regolatrice di portata VRPA: dimensionamento

Valvola regolatrice di pressione VRP

La valvola regolatrice di pressione VRP – caso #3 - regolava la propria

apertura al fine di mantenere costante la pressione a monte della valvola

di regolazione VR. E’ stata successivamente eliminata dall’impianto

sperimentale.

Modello Skillair REG 300 della Metal Works.

85/108


Valvola di intercettazione on-off EVAC

La valvola di intercettazione EVAC è una valvola

a sfera del tipo a 2 vie in ottone cromato DN50

dotata di attacchi filettati femmina da G2’’. La

valvola, attuata pneumaticamente, è una valvola

normalmente chiusa e presenta indicatore di

posizione. Dunque in caso di assenza di aria

compressa la valvola chiude ed intercetta la

linea.

Il flusso di aria compressa all’attuatore è

regolato da un’elettrovalvola prodotta da

Pneumax, modello 1/4’’ NAMUR 5 vie a due

posizioni monostabile attuata elettricamente

(bobina da 24 Vcc da 2W) del tipo normalmente

chiusa.

86/108


NC

AC

Valvola di intercettazione on-off EVAC

Occorre fare attenzione alla scelta dell’elettrovalvola.

In caso di assenza di alimentazione elettrica, infatti, la

valvola intercetterebbe il flusso di aria pneumatica

verso l’attuatore. Tuttavia, la linea dall’elettrovalvola

all’attuatore si manterrebbe piena di aria in pressione

non permettendo così la chiusura della valvola sulla

linea. Conseguentemente, l’elettrovalvola deve

permettere lo «spurgo» della linea per permetterne la

depressurizzazione:

Elettrovalvola eccitata:

Connessione 1 (alimentazione pneumatica) collegata

a connessione 4 (attuatore valvola)

Elettrovalvola diseccitata:

Connessione 4 (attuatore valvola) collegata a

connessione 5 per messa in scarico. Connessione 1

(alimentazione pneumatica) collegata a connessione 2

tappata per evitare la fuoriuscita di aria compressa.

87/108


NC

AC

Azionata

NC

AC

A riposo

Valvola di scarico della condensa EVSC

Per lo scarico della condensa dal serbatoio è

utilizzata un’elettrovalvola prodotta de Mecair modello

VNP 206 da 3/4’’ attuata elettricamente mediante

eccitazione di un solenoide del tipo normalmente

chiusa.

Si riportano di seguito le caratteristiche tecniche della

valvola:

Pressure range: [0.5 bar, 7.5bar]

Kv: 10

Range di temperatura operativa: [-20°C, 60°C]

Grado di protezione: IP65

Alimentazione elettrica: 24 Vcc, 12W

88/108


89

Filtro a maniche

Tramoggia di carico

Rotocella

Misura e regolazione della

portata in massa dell’aria

Zona 1

Zona 2

Analisi dei componenti principali


89/108

90

Portata ariaValvola a farfalla

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Valvola deviatrice

a 2 posizioni e

attuatore pneumatico

Tramoggia

del filtro

a maniche

Trasporto pneumatico: impianto sperimentaleAnalisi dei componenti principali (Zona 1)

90/108

91

Sistema di caricamento della barbottina


91/108

.

.

Atomizzato

dalla tramoggia

di scarico

AC Atomizzato

+

AC

MSL: motore della rotovalvola

INMSL: inverter motore della rotovalvola

EFSL: rotovalvola

PFSL: controllo pressione aria di lavaggio rotovalvola

TTR: temperature tramoggia

MVTR: aspiratore tramoggia

EPSL: elettrovalvola pulizia filtro cartuccia (aria #1)Filtro aria #1

Ramo

trafilamento

92

Portata aria

Valvola stellare

Motore elettrico della

stellare

Analisi dei componenti principali (Zona 2)


92/108

Condotti

trafilamento

93

Caratteristiche principali Valore

Volume rotore [lt] 19

Diametro rotore [mm] 320

Velocità di rotazione [rpm] 18

Grado di riempimento 75%

Massima temperatura di esercizio [°C] 80

Pressione differenziale massima [bar] 4

Potenza nominale motoriduttore [kW] 1,1

Peso [kg] 445

Dimensioni principali [mm]867x500

x1.104

Analisi dei

componenti

principali:

dettagli tecnici

della stellare


93

https://www.youtube.com/watch?v=xom752iqFA8

https://www.youtube.com/watch?v=xom752iqFA8

94

Vista della stellare dal lato

dell’ingresso del materiale


Analisi dei componenti principali (Zona 2)

94/108

95



95/108

.

.

Atomizzato

dalla tramoggia

di scarico

AC Atomizzato

+

AC

PFSL: controllo pressione aria di

lavaggio rotovalvola

Da impiegarsi nel caso di materiali

abrasivi (non per il trasporto di

barbottina), serve a tenere «pulita» la

cavità libera tra bocca di scarico e setti

rotanti. Se in questo spazio si

accumula del materiale abrasivo, il

rischio è il danneggiamento del setto,

delle guarnizioni e dei cuscinetti. Per

tenere il setto pulito si inietta aria in

leggera sovrapressione rispetto alla

pressione di trasporto.

Filtro aria #1

Ramo

trafilamento

96



96/108

.

.

Atomizzato

dalla tramoggia

di scarico

AC Atomizzato

+

AC

Filtro aria #1

Ramo

trafilamento

020406080

100120140160

1,5 2 2,5

Traf

ilam

ento

[Nm

^3/h

]

Pressione di Trasporto [bar]

10 Hz 15 Hz

La valvola stellare è un elemento dell’impianto che non garantisce una perfetta tenuta,

dunque durante il suo funzionamento si ha una perdita di aria strutturale che deve essere

valutata per una corretta regolazione della portata di aria al trasporto. Infatti, la portata

richiesta al compressore dovrà essere pari a quella richiesta dal trasporto più quella persa

per trafilamento (che aumenta al crescere della pressione di trasporto).

Si preferisce «regolare» il transito di aria dalla stellare alla tramoggia con il «ramo di

trafilamento» rappresentato in figura per evitare la contropressione allo scarico della

tramoggia. L’aspiratore MVTR installato in tramoggia mantiene in leggera depressione la

tramoggia, altrimenti al momento del carico del materiale in tramoggia, lo stesso tenderebbe

ad essere ostacolato. L’aria aspirata dalla tramoggia viene filtrata ed espulsa. Il filtro subisce

cicli di pulizia automatica con aria compressa tramite l’elettrovalvola EPSL.

Il trafilamento è principalmente dovuto al gioco presente tra rotore e carcassa, ma anche per

via del reflusso di aria che si verifica tra i vani della stellare e la tramoggia. Il dato,

solitamente, non è fornito dal costruttore e va determinato sperimentalmente: in figura,

risultato del test condotto sull’impianto con portata al compressore di 600 Nm3/h e due

velocità di rotazione della stellare (10 e 15 Hz).

97



97/108

.

.

Atomizzato

dalla tramoggia

di scarico

AC Atomizzato

+

AC

Filtro aria #1

Filtro aria #2

Il ricircolo poneva però dei problemi di

«qualità» del prodotto trasportato:

assieme all’aria venivano ricircolate in

tramoggia e successivamente trasportate

anche le particelle «sminuzzate» dalla

rotazione della rotovalvola e che

normalmente rimangono «incollate» alle

pareti.

Si è deciso, allora, di scaricare in

ambiente (previa filtrazione con filtro a

manica #2) l’aria trafilata attraverso la

rotovalvola.

98

Filtro aria #2

Filtro aria #1

Gestione fughe di aria da impianto a tramoggia di carico


98/108Filtro aria #2

Filtro aria #1

99

Il terminale del trasporto pneumatico


99/108

Atomizzato

+

AC

Atomizzato

Alla tramoggia di

carico

Uscita ariaCEB: Sistema automatico pulizia filtri a cartuccia

PDB: Pressione differenziale su filtri a cartuccia

TB: Temperatura nel filtro

EVB: Valvola controllo portata del solido scaricato dal

ciclone

EDB: Valvola 3-vie per ricircolo solido in tramoggia di

carico o scarico in big bag

JBB: celle di carico (per pesatura solido nel ciclone)

Supporto ad una corretta progettazione


100/108

Perdita di carico ∆p

Velocità del solido

Velocità dell’aria

∆p in curva

∆p in rettilineo


Si confrontano i dati sperimentali con il risultato della simulazione…


101/108

Simulazione


… e attraverso un processo iterativo si arriva a convergenza!


102/108

Prova di trasporto

nell’impianto di prova

Simulazione del

medesimo trasporto

con il TPSimWin

Confronto tra

risultato sperimentale

e simulazione

Valori di primo

tentativo

Ricalcolo dei tre

parametri mancanti

Il dimensionamento del compressore

non risente di un eccessivo

sovradimensionamento.

Agenda


103/108




104

Elenco della strumentazione installata sull’impianto

- n°2 trasduttore di temperatura assoluta (TT1-TT2);

- n°1 trasduttore di pressione assoluta (PT1);

- n°1 misuratore di pressione differenziale (PT2) su n°1 orifizio tarato;

- n°1 bilancia a celle di carico estensimetriche sul filtro a maniche;

- n°10 termoresistenze PT100 distribuite lungo tutta la lunghezza della

rete (da TT3 a TT12);

- n°8 trasduttori di pressione differenziale da collegarsi alle n°29 prese di

pressione distribuite lungo tutta la lunghezza della rete (da PT3 a PT10).


104/108

105

Misura portata volumetrica di aria

105/108

La misura della portata volumetrica è effettuata mediante orifizio

tarato con trasduttore di pressione differenziale PDZ. Lo strumento

è un Deltabar PMD235 prodotto da Endress Hauser.

• Range di pressione operativa: [-1000mbarg, 1000 mbarg]

• Pressione massima: 160 bar

• Accuratezza: 0,1% dello span per TD 10:1

• Riproducibilità: 0,1% dell’Upper Range Limit/anno

• T90: 100 ms

• Protocollo di comunicazione: Profibus PA

• Membrana: metallica (Alloy C276)

• Fluido di riempimento: Silicon oil

• Tensione di alimentazione: 9 – 32 Vcc

• Corrente di alimentazione: 10 mA ±1 mA

• Grado di protezione: IP65


Diversi orifizi tarati a disposizione per

gestire la variabilità di portata tra test e test.

106

Misura pressione di pick-up

106/108

Il trasduttore di pressione PL (CERABAR modello PMP 731 prodotto da Endress

Hauser) consente la misura della pressione relativa rispetto a quella ambiente.

• Range di pressione operativa: [-1barg, 2,5 barg]




• T90: 150 ms


• Membrana: metallica (Hastelloy)






107

Misura temperatura di pick-up

107/108

Il trasduttore di temperatura TZ per la misura della temperatura dell’aria compressa

utilizza come sensore una termoresistenza PT100. Per lo scopo è utilizzato un

trasmettitore TST11 prodotto da Endress Hauser.

• Termoresistenza Pt100

• Temperatura operativa: [-50 °C, 400 °C]

• Condizioni operative limite: 50 bar@20 °C, 1 bar@130 °C

• Accuratezza: classe B (±(0,30 + 0,0050 | t |)), 3 wires

• Tempo di risposta T50: 28 sec


• Materiale e diametro del pozzetto: AISI 316 Ti/W – 9 mm

• Lunghezza di immersione sonda: 100 mm

• Comunicazione: 4-20 mA


108

Misura perdite di carico in linea con quadro multiplexer

108/108


La misura della caduta di pressione fra due prese lungo la

linea è effettuata con trasduttore di pressione differenziale

tipo Deltabar PMD235 prodotto da Endress Hauser.

• Range di pressione operativa: [-1 barg, 1 barg]




• T90: 100 ms


• Membrana: metallica (Alloy C276)





109

109/108

DPZTrasduttore

pressione

differenziale

Nella figura è riportato un esempio di quadro

multiplexer costituito da:

• Un trasduttore di pressione differenziale: DPZ

• 4 prese per il segnale di pressione rilevato lungo il

circuito

• 8 elettrovalvole

• Circuiti per l’attuazione delle elettrovalvole

• Sistema di alimentazione

In particolare è possibile conoscere il ∆p tra la

presa 0 e la presa 1 semplicemente aprendo le

valvole V1 e V2, mantenendo tutte le altre chiuse.

Dopo aver chiuso V1 e V2, aprendo le valvole V3

e V4 è possibile misurare la caduta di pressione

tra la presa 1 e la presa 2.

Per ogni sequenza, la durata della misura è pari a

5s con rilevazioni ogni 0,1s.

Sebbene questo garantisse la disponibilità di oltre

50 dati per ciascuna sequenza, occorre

sottolineare che i primi 2s di misura sono scartati

in virtù di possibili transitori a seguito del

passaggio fra le prese e per considerare il tempo

di ritardo dello strumento. Per i restanti 3s si

calcolano i valori medi.

Sequenza Differenza di pressione Valvole aperte Valvole chiuse

1 Presa 0 – Presa 1 V1 e V2 V3, V4, V5, V6, V7, V8

2 Presa 1 – Presa 2 V3 e V4 V1, V2, V5, V6, V7, V8

3 Presa 2 e Presa 3 V5 e V6 V1, V2,V3, V4, V7, V8

4 Presa 3 e Presa 4 V7 e V8 V1, V2, V3, V4, V5, V6

Misura perdite di carico in linea con quadro multiplexer


110

110/108

Misura temperatura in tramoggia


Il trasduttore di temperatura per la misura della temperatura in tramoggia di carico

utilizza come sensore una termoresistenza PT100. Per lo scopo è utilizzato un

trasmettitore TST11 prodotto da Endress Hauser.

• Termoresistenza Pt100


• Condizioni operative limite: 50 bar@20 °C, 1 bar@130 °C

• Accuratezza: classe B (±(0,30 + 0,0050 | t |)), 3 wires



• Materiale e diametro del pozzetto: AISI 316 Ti/W – 9 mm

• Lunghezza di immersione sonda: 100 mm

• Comunicazione: 4-20 mA

111

111/108

Misura temperatura durante il trasporto


I trasduttori di temperatura per la misura della temperatura in linea

utilizzano come sensori delle termoresistenze Pt100 a film sottile SA1-RTD

della One Omega Drive.

Il sensore è un film sottile di platino 2 x 2 x 0.8 mm e viene fornito con

configurazione a 3-4 fili isolati in PFA. Il sensore viene fornito con

superficie adesiva, oppure può essere incollato alla superficie oggetto della

misura.

• Termoresistenza Pt100 (IEC 60751)


• Accuratezza: classe A DIN (±0,06 Ω a 0°C)

• Auto-riscaldamento: 2.5 mW/°C

• Tempo di risposta T63: 0.9 sec immerso in acqua,

2 s su superficie calda

• Comunicazione: ???

112

112/108



Quanto significativa sia la temperatura superficiale della tubazione rispetto alla

temperatura di processo (i.e. all'interno della tubazione) dipende da tanti fattori. Quindi,

l’accuratezza della misura del sensore ha una influenza minima.

Sono importanti i seguenti parametri:

- Differenza di temperatura tra punto di misura e ambiente;

- Variazioni della temperatura ambiente;

- Materiale della tubazione;

- Isolamento termico del punto di misura.

E' significativa la calibrazione sulla superficie della tubazione eseguita con un sensore di

riferimento, sebbene si ottengano dei risultati più precisi smontando il sensore e

controllandolo in un bagno di calibrazione o nel calibratore a secco.

113

113/108



Per completare il sistema di misura della temperatura durante il

trasporto occorre integrare con ohmmetro (configurazioni

possibili a 2, 3 o 4 fili).

L’intervallo di misura va pre-impostato (in questo caso si collega

il dispositivo via USB ad un PC e si usa apposito software).

- Range funzionamento: 5-30 V DC;

- Uscita: 4-20 mA;

- Resistenza di carico RL: 1 kΩ @26 Vdc, 21 mA;

- Max errore di trasmissione: 0,1% sul campo di misura o 0,1°C;

- Tempo di campionamento: 100-300 ms;

- Tempo di risposta: t10 < 220 ms – t90 < 620 ms;

- Grado di protezione: IP20.

114

Il terminale del trasporto pneumatico

La misura di portata (variazione di peso)

114/108

La portata di atomizzato di barbottina trasportata è misurata mediante tre celle di carico a flessione

modello FTK 1000 prodotte da Laumas e installate sulla tramoggia di scarico del ciclone che si

riempie man mano che il trasporto procede (valvola EVB chiusa). Misurando la variazione di peso

contenuto all’interno della tramoggia di scarico nel tempo è possibile calcolare la portata di solido

che entra nel trasporto.


115

Il sistema di acquisizione dati

Il sistema di acquisizione dati ed il controllo dell’impianto sono governati

da un PC di supervisione della Axiomtec, tramite un software sviluppato

in ambiente di programmazione Visual Basic 6.0.

La comunicazione fra PC e trasduttori di misura presenti nell’impianto

prevede sia la modalità analogica che digitale.

115/108

Strumenti Q.tà Digitale 4-20 mA

Pt100 1+1 X

Pt100 thin 10 X

Cerabar 1 X

Deltabar 9+1 X

Cella di carico 1 X


116

Il sistema di acquisizione dati: comunicazione in digitale

La comunicazione in digitale avviene mediante protocollo di

comunicazione Profibus DP che mette in comunicazione i sensori con il

PC. Il bus di campo permette uno scambio ciclico di messaggi tra i

dispositivi di campo, detti Slaves (nel caso dell’impianto Deltabar e

Cerabar), e l’unità centrale di controllo, detta Master (il PC).

E’ presente anche una rete Profibus PA che mette in comunicazione il PC

con un PLC.

116/108

In figura un esempio di rete Profibus

PA collegata tramite segment coupler

con la rete di campo Profibus DP.


117

Il sistema di acquisizione dati: comunicazione in analogico

Gli strumenti con uscita analogica si interfacciano con il PC grazie ad una

unità di acquisizione dati LabJack UE9, che riceve i segnali analogici in 4-

20 mA da ciascuno strumento, li converte in digitale e li comunica al PC

tramite connessione USB.

117/108

14 ingressi analogici (AIN0-AIN13)

2 uscite analogiche 0-5 V (DAC0 e DAC1)

8 canali digitali I/O flessibili (FIO)

6 FIO configurabili come timers

2 FIO configurabili come contatori

15 canali digitali I/O (3 MIO, 8 EIO, 4 CIO)

Uscita Ethernet e USB


118

Il sistema di acquisizione dati

118/108

PROFIBUS DP

PR

OF

IBU

S P

A

SEGMENT

COUPLER

PLC


119

Il sistema di acquisizione dati: il PLC

Il PLC presente all’interno dell’impianto di trasporto pneumatico è

costituito da vari componenti modulari che consentono di rispondere a

requisiti e applicazioni specifiche. In particolare, il WAGO 750-323 è

dotato di 20 schede Input-Output (I/O), 10 dedicate agli ingressi digitali

(DI) e altre 10 alle uscite digitali (DO), per un totale di 40 DI (= 10x4) e 40

DO (= 10x4).

119/108

• Numero massimo di nodi: 96

• Numero massimo di Input / Output: 6000

• Protocollo di comunicazione: Profibus

• Lunghezza massima del bus di campo: 100 – 1200 m in

funzione del baud rate (numero di dati trasmessi in un

secondo)

• Baud rate: 9,6 kBaud – 12MBaud

• Tensione di alimentazione: 24 Vcc

• Corrente di alimentazione: 85 mA (typ.), max. 500 mA

• Grado di protezione: IP 20

• Temperatura operativa: 0 – 55 °C


120

Il sistema di acquisizione dati: il PLC

120/108

Digital Input

DI 1 Micro EV 1 QMP 1-4 DI 21 Operativo compressore

DI 2 Micro EV 1 QMP 5-8 DI 22 Segnale lavaggio filtro in corso

DI 3 Micro EV 2 QMP 1-4 DI 23 Operativo valvola stellare

DI 4 Micro EV 2 QMP 5-8 DI 24 Fault Inverter valvola stellare

DI 5 Micro EV 3 QMP 1-4 DI 25Segnale dispositivo di emergenza

OK

DI 6 Micro EV 3 QMP 5-8 DI 26 libero

DI 7 Micro EV 4 QMP 1-4 DI 27 Presenza 24 V DC

DI 8 Micro EV 4 QMP 5-8 DI 28 Scattato termico compressore

DI 9 Micro EV 5 QMP 1-4 DI 29 Micro ED2L in linea

DI 10 Micro EV 5 QMP 5-8 DI 30 Micro ED2L in deviata

DI 11 Micro EV 6 QMP 1-4 DI 31 Micro EDB in linea

DI 12 Micro EV 6 QMP 5-8 DI 32 Micro EDB in deviata

DI 13 Micro EV 7 QMP 1-4 DI 33 Micro EDL in linea

DI 14 Micro EV 7 QMP 5-8 DI 34 Micro EDL in deviata

DI 15 Micro EV 8 QMP 1-4 DI 35 Micro EFSL

DI 16 Micro EV 8 QMP 5-8 DI 36 Micro EPSL

DI 17Micro EV E QMP 1-

4DI 37 Micro EVAC

DI 18Micro EV E QMP 5-

8DI 38 libero

DI 19Micro EV C QMP 1-

4DI 39 Micro EVB

DI 20Micro EV C QMP 5-

8DI 40 libero

Digital Output

DO 1 Comando EV 1 QMP 1-4 DO 21 Comando compressore

DO 2 Comando EV 1 QMP 5-8 DO 22 Comando lavaggio filtro

DO 3 Comando EV 2 QMP 1-4 DO 23 Start Inverter valvola stellare

DO 4 Comando EV 2 QMP 5-8 DO 24 Lampada impianto in allarme

DO 5 Comando EV 3 QMP 1-4 DO 25 libero




DO 9 Comando EV 5 QMP 1-4 DO 29 Comando ED2L in linea

DO 10 Comando EV 5 QMP 5-8 DO 30 Comando ED2L in deviata

DO 11 Comando EV 6 QMP 1-4 DO 31 Comando EDB in linea

DO 12 Comando EV 6 QMP 5-8 DO 32 Comando EDB in deviata

DO 13 Comando EV 7 QMP 1-4 DO 33 Comando EDL in linea

DO 14 Comando EV 7 QMP 5-8 DO 34 Comando EDL in deviata

DO 15 Comando EV 8 QMP 1-4 DO 35 Comando EFSL

DO 16 Comando EV 8 QMP 5-8 DO 36 Comando EPSL

DO 17 Comando EV E QMP 1-4 DO 37 Comando EVAC

DO 18 Comando EV E QMP 5-8 DO 38 Comando EVB

DO 19 Comando EV C QMP 1-4 DO 39 libero

DO 20 Comando EV C QMP 5-8 DO 40 libero


121

Il quadro di alimentazione elettrica

121/108

La sezione di alimentazione

elettrica del quadro e di tutta

la componentistica avviene

mediante 6 diramazioni

parallele.


122


122/108

Alimentazione ausiliari in 24 V cc: per la trasformazione da 230 V ac a 24 V cc viene

utilizzato un alimentatore monofase. In particolare, si noti che la parte a 230 V ac è

posta a terra ed a protezione dello stesso sono presenti a monte due fusibili.


123


123/108

L’alimentazione di ciascun ausiliario a 24 V cc avviene mediante stacco parallelo. A

protezione della linea su ogni stacco è previsto un fusibile che interviene nel caso di

presenza di guasti a valle. Il fusibile, ovviamente, è dimensionato sulla base della

componentistica presente e dunque delle correnti attese al fine di garantire un intervento

tempestivo.


124


124/108


Schematizzazione

ALIMENTAZIONE

AI MODULI

125

125/108



Il «segment coupler» consente

l’utilizzo combinato di reti

DP/PA ed è impiegabile per

l’alimentazione dei bus di

campo.

Schematizzazione

126


126/108

Alimentazione PLC

20 MODULI:

DA 11A1 A 11A10 = INPUT

DA 11A11 A 11A20 = OUTPUT

INTERFACCIA

FIELDBUS


127

127/108


INTERFACCIA

FIELDBUS 20 MODULI:

DA 11A1 A 11A10 = INPUT

DA 11A11 A 11A20 = OUTPUT

Suddivisione dei moduli del PLC


128

128/108


Moduli ingressi digitali:

11A1: Ingresso digitale elettrovalvole EV1 e

EV2 all’interno dei multiplexer 1-8







11A5: Ingresso digitale elettrovalvole EVE e

EVC

11A6: Ingresso digitale per i seguenti segnali: i) compressore Robuschi in marcia, ii) motore valvola stellare operativo, iii) segnale a

quadro lavaggio filtro, iv) guasto motore valvola stellare

11A7: Ingresso digitale per i seguenti segnali: i) segnale emergenze ok, ii) presenza tensione a 24 Vcc, iii) scattato termico

compressore Robuschi, iv) spare (scorta)

11A15: Ingresso digitale per i seguenti segnali: i) posizione ED2L verso linea, ii) posizione EDB verso linea, iii) posizione ED2L

deviata, iv) posizione EDB deviata

11A16: Ingresso digitale per i seguenti segnali: i) posizione micro EDL verso linea, ii) stato EFSL operativo, iii) posizione micro EDL

deviata, iv) stato EPSL operativo

11A17: Ingresso digitale per i seguenti segnali: i) stato EVAC operativo, ii) stato EVB operativo, iii) spare, iv) spare.

TOT 10 INPUT DIGITALI = 40 Input di cui 3 spare (liberi)


129

129/108


TOT 10 OUTPUT DIGITALI = 40 Output di cui 6 spare (liberi)

Moduli uscite digitali:

11A8: Output digitale elettrovalvole EV1 e


11A9: Output digitale elettrovalvole EV3 e


11A10: Output digitale elettrovalvole EV5

e EV6 all’interno dei multiplexer 1-8

11A11: Output digitale elettrovalvole EV7

e EV8 all’interno dei multiplexer 1-8

11A12: Output digitale elettrovalvole EVE

e EVC

11A13: Output digitale per i seguenti comandi: i) start a compressore Robuschi, ii) start inverter valvola stellare, iii) allarme impianti,

iv) comando centralina lavaggio filtri

11A14: Quattro output digitali spare (scorta)

11A18: Output digitale per i seguenti comandi: i) comando ED2L (posizione) verso linea, ii) comando EDB verso linea, iii) comando

EDB deviata, iv) comando ED2L deviata

11A19: Output digitale per i seguenti comandi: i) comando EDL verso linea, ii) comando EFSL, iii) comando EPSL, iv) comando EDL

deviata

11A20: Output digitale per i seguenti comandi: i) comando EVAC, ii) comando EVB, iii) spare, iv) spare


130


130/108

Alimentazione servizi quadro: a protezione è posto un interruttore magnetotermico

differenziale (Id = 30 mA). Inoltre, alla chiusura dell’interruttore 2HL1, la lampada si

accende evidenziando la presenza di tensione.


MAGNETOTERMICO DIFFERENZIALE

131


131/108

Alimentazione strumentazione a 230 V ac.

Alimentazione quadro misure a 230 V ac.

Alimentazione paranco a 230 V ac.


MAGNETOTERMICO DIFFERENZIALE

132


132/108

Alimentazione motore valvola stellare: l’alimentazione del motore delle valvola stellare

avviene a seguito della chiusura dei due interruttori 8 KM1 e 8 KM2 comandati dai

rispettivi relè.


133

Il quadro di alimentazione elettrica: controllo elettrovalvole

del quadro multiplexer

133/108

24 Vcc 24 Vcc

24 Vcc 24 Vcc

Ad esempio, attraverso i moduli di output

digitale (OD) 11A8 – 11A12 è possibile

fornire il comando per l’attuazione delle

elettrovalvole. Tali moduli, permettendo

l’eccitazione di relè sul circuito, garantiscono

l’attuazione di specifiche azioni.

Si consideri, ad esempio, il modulo 11A8

riportato a fianco. Come si vede, attraverso

specifico comando è possibile alimentare i

relè 18KA1, 18KA2, 18KA3 e 18KA4.

L’eccitazione dei relè implica la modifica

della posizione dei contatti dalla posizione

normale permettendo:

• Eccitazione elettrovalvole (e dunque

termine della condizione normale

apertura delle elettrovalvole comandate);

• Segnale di intervento alla scheda di input

digitale 11A1. Per ogni scheda di output è

presente una scheda di input

corrispondente.

Ad altri DO


134



134/108

Sigla:

EVX-Y = Elettrovalvola Y

nel multiplexer X


135

135/108

Ad altri DI

I segnali di input corrispondenti

all’azionamento delle elettrovalvole

vengono acquisiti nella scheda di

input digitale 11A1.

Quando i relè si eccitano si ha la

chiusura dei corrispondenti contatti

che lasciano quindi passare il

segnale al modulo di input. Questo

permette al PLC di avere un segnale

di «ritorno» sull’avvenuta azione e

stato delle elettrovalvole.




136

Software supervisione

All’avviamento del software di supervisione si apre la finestra di

interfaccia principale. Si tratta di una finestra permanente che consente

l’accesso a tutte le funzioni di cui l’applicazione dispone, permettendo di

intervenire su:

Settaggi di riferimento

Controllo

Monitoraggio

Funzioni ausiliarie

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Software supervisione

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Sez. Attuatori

Sez. Lettura Strumenti

Barra menù

Barra funzioni ausiliarie


Acquisizione letture perdite di carico con rete Profibus

I parametri di acquisizione sono definibili nell’apposita interfaccia ausiliaria. Il

sistema genera un file di testo salvato all’interno di un cartella di destinazione

predefinita.

All’interno di questo file vengono riportati quattro blocchi di acquisizione,

ciascuno dei quali è temporalmente shiftato in avanti rispetto a quello

precedente di in un tempo pari al tempo di ciclo più 5 secondi. Questo in

quanto ogni quadro multiplexer (abbiamo 8 quadri e 32 misure di pressione

differenziale) rimane su una coppia di prese di pressione per tutto il tempo di

ciclo, poi passa alla coppia successiva lasciando intercorrere un tempo di

riposo, necessario a smorzare le eventuali oscillazioni di pressione sul sensore

durante lo switch.

È importare iniziare le misurazioni quando l’impianto ha raggiunto una

condizione di funzionamento stabile: in questo modo il fatto che misure

provenienti da prese di pressione poste consecutivamente nella condotta siano

ottenute in momenti diversi non penalizza eccessivamente la coerenza dei dati

acquisiti.

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Acquisizione letture perdite di carico con rete Profibus

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Regolazione trasporto in fase densa

Il solido granulare viene introdotto

all’interno della tubazione di trasporto in

seguito alla rotazione della valvola stellare,

si accumula e addensa al di sotto di essa

ed ostacola sempre più il passaggio

dell’aria.

Contestualmente, la pressione a monte

della stellare inizia a salire fino a quando

non è sufficientemente elevata da riuscire

a muovere il tappo compatto di materiale

solido che nel frattempo si è creato (attrito

statico).

Una volta che il tappo è partito la

pressione diminuisce in maniera repentina

(passaggio ad attrito dinamico).


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Come visto in precedenza, nel caso di trasporti in fase sul circuito di prova

densa la regolazione della portata di aria viene demandata al compressore a

lobi.

La valvola VRA viene «regolata» a punto fisso, in maniera tale avere una

determinata portata di aria a tubo vuoto (attenzione! Ricordarsi dei trafilamenti

nella stellare nella taratura della VRA): preliminarmente al trasporto viene

effettuata questa taratura in maniera tale da fissare un limite superiore alla

portata di aria di trasporto.


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Durante il trasporto in fase densa la pressione in linea varia continuamente (si

veda in figura l’andamento rilevato durante una prova di trasporto).

Quando la pressione sale, il compressore riduce la portata (lavora a DeltaP

costante!), quanto la pressione scende, aumenta la portata.


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Come regolo la portata di solido durante il trasporto?

Nel software di supervisione è presente un’interfaccia ausiliaria dedicata alla

regolazione della velocità di rotazione della valvola stellare, gestita mediante

inverter.

Esistono tre modalità di regolazione della valvola stellare:

- controllo ON/OFF,

- derivativo, e

- proporzionale-derivativo.

Tutte e tre le modalità di regolazione si basano sulla regolazione della

pressione di trasporto attraverso la misura di pressione dell’aria PL letta dal

Cerabar installato a monte della valvolare stellare.


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Ad ogni modo, qualunque sia la regolazione adottata, il sistema di controllo

prevede due condizioni critiche:

1. “Pressione di blocco stellare”: il sistema di controllo ferma la valvola stellare

(comando OFF) se la pressione dell’aria supera un valore massimo impostato

(ad esempio, 1500 mbar).

2. “Pressione di blocco impianto”: se la pressione dovesse continuare a salire,

anche a stellare ferma, e superare anche il valore di soglia successivo (ad

esempio, 2200 mbar), viene chiusa anche la valvola di sicurezza EVAC,

interrompendo il passaggio di aria compressa verso il circuito di trasporto.


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Come mostrato nello script, per ogni modalità di regolazione è stata creata un’apposita

funzione, che esegue ciclicamente i propri controlli nel momento in cui viene attivata dal

menù del sistema di supervisione

modulo 2.6 esercitazione: impianto di trasporto pneumatico...esercitazione: impianto di trasporto...

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