Prof. A. Soldati, Dott. C. Marchioli, Dott.ssa S. Dearing *

Venerdi 30 Gennaio 2009

Caratterizzazione del particolato e della sua dinamica: formazione,

trasporto eabbattimento

Caratterizzazione e abbattimento di inquinanti e analisi

del rischio nei processi di lavorazione del legno”

*Dipartimento di Energetica e Macchine &

Centro Interdipartimentale di Fluidodinamica e Idraulica, Università di Udine

Particelle/gocce nel settore del legno …

Utilizzo di impregnanti a base di resine

Trasporto/essicazione fibre di legno

Rivestimenti

superficiali

La dinamica delle particelle/gocce controlla l’efficienza di molti processi fondamentali per il settore legno:

Particelle/gocce nel settore del legno …

Emissioni a camino

Presenza di particelle sul posto di lavoro

Dal punto di vista ambientale la presenza di particelle crea un rischio alla salute.

Esistono vincoli legislativi per ridurre:

Sistemi di abbattimento polveri

Obiettivi

•Acquisire/utilizzare conoscenza fondamentale su• meccanismi di formazione e accrescimento• meccanismi di trasporto• meccanismi di deposizione su superfici solideper 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)

‘Flow Visualisation’ di un getto reale (fluido solo)

‘Distribuzione di particelle - risultati DNS (particelle solo)*

La distribuzione/concentrazione di particelle dipende da:• Dimensione di particelle • Velocità tra particelle e fluido (‘slip velocity’)•Geometria dell’ getto (le strutture del fluido)

Obiettivo:• Caratterizzare il flusso e la concentrazione locale di particelle • Identificare le condizioni per cui controllando il flusso si può controllare la concentrazione

Struttura di fluido

Struttura di fluido

1. Getto bi-fase (aria/particelle)

L’impianto :

2.Ventilatore

1.Generatore di fumo

3. Alimentatore di particelle

12

Aria Secondaria

Aria/Particelle/Fumo

3 4

4. Altoparltante

Aria/Particelle/Fumo

Al filtro

Getto d’aria e particelle

1. Getto bi-fase (aria/particelle)

‘Flow Visualisation’ di un getto reale (fluido solo)

Le misurazioni:

Immagine dei due fasi

Particelle dispersa

Collezioni immagini

Particelle traccianti di fluido

Analisi PIV per fluido

Analisi PTV per particelle

• 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)

Risultati attesi

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

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)

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

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

Il numero di frange è proporzionale al diametro della particella

Particelle devono essere sferiche e trasparenti

IPI

Risultati:

Le frange sono state sostituite da cerchi di dimensionie rappresentivia della loro taglia

RedRed = Frame 1YellowYellow = Frame 2

2.Spray: caratterizzazione granulometrica

Risultati: Measured Diameter Histograms

Quale scegliere?

SPRAYTEC IPI

Velocità

Concentrazione

Diametro

Flussi densi

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

Al centro del canale distribuzione è “random”

Le fibre si accumulano alla parete

3. Trasporto pneumatico di fibre (DNS)

Vista laterale

Studio di deposizioni di polveri sottili nei polmoni

Modello di deposizione

L’obiettivo è capire, in base della dimesione, dove si depositano le polveri e in che quantitàLa dinamica delle polveri in trachea è modellata come un flusso bi-fase perché è governato dalle stesse equazioni di bilancioModello predittivo – tipo gerarchico Per quantificare la probabilità delle polveri ( in base di dimensione) nei vari tratti delle vie respiratorie.

Studio di deposizioni di polveri sottili nei polmoni

Modello delle vie aeree

Deposizione tratto C

Diametro polveri

Fine

Grazie

Al centro del canale distribuzione è “random”

Le fibre si accumulano alla parete

3. Trasporto pneumatico di fibre (DNS)

Vista laterale

Centro canale

Alle pareti del canale