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Che cosa governa l'efficienza di un separatore a ciclone?

Il diametro di taglio da solo non basta. La forma della curva di efficienza, la distribuzione granulometrica e il carico decidono insieme l'esito.

Il numero più citato nella scelta di un ciclone è il diametro di taglio (d₅₀): il diametro di particella a cui l'efficienza è del 50 %. Da solo è fuorviante, perché la vera domanda è: quanta parte della distribuzione di polvere che avete davvero verrà captata?

Due cicloni possono condividere lo stesso d₅₀ e differire nettamente sul lato fine se le pendenze delle loro curve di efficienza sono diverse. Ed è di solito il lato fine a fissare il limite di emissione.

Il carico è spesso trascurato

A basso carico di polvere la separazione avviene per il moto delle singole particelle nel campo centrifugo. Sopra un certo carico subentra un meccanismo diverso: le particelle vengono trascinate in massa verso la parete, e l'efficienza risulta più alta di quanto preveda la teoria a particella singola.

Il metodo di Muschelknautz tratta separatamente questi due regimi e dà quindi risultati più realistici ai carichi industriali rispetto agli approcci classici; il libro di Hoffmann e Stein tratta in dettaglio il metodo e i limiti della sua applicazione [1].

La conseguenza pratica: riportare su un processo fortemente caricato una curva di efficienza misurata in laboratorio a basso carico sovradimensiona inutilmente il progetto.

Modellazione: due difficoltà insieme

Il vortice è anisotropo. Nel flusso rotante dentro un ciclone la velocità tangenziale segue un profilo composto da regioni di vortice forzato e libero. I modelli a due equazioni, che assumono turbolenza isotropa, sbagliano sistematicamente questo profilo; serve un modello agli sforzi di Reynolds o una simulazione a grandi vortici. Si veda la nota sul modello di turbolenza.

Il nucleo vorticoso precede. Il nucleo a bassa pressione sull'asse non sta fermo; oscilla attorno (nucleo vorticoso precessante). È un fenomeno transitorio, invisibile a una soluzione stazionaria, che tende inoltre a sottostimare la perdita di carico.

Sul lato particelle. Nel tracciamento della fase discreta il coefficiente di resistenza va calcolato in funzione del numero di Reynolds; l'interpolazione a tratti di Morsi e Alexander è largamente usata a questo scopo [2]. Lavorare con un solo diametro medio cancella la grandezza più critica — la frazione di fini che sfugge. Si veda la nota sul flusso multifase.

I dettagli geometrici pesano in modo sproporzionato

  • Profondità di immersione del tubo di uscita. Troppo corta, e il flusso entrante cortocircuita direttamente verso l'uscita.
  • Geometria di ingresso. Ingressi tangenziali, a chiocciola o palettati producono profili di velocità tangenziale diversi a parità di portata.
  • Tramoggia polveri. Il riflusso in tramoggia può ri-trascinare la polvere separata; è la causa di molti scostamenti di efficienza in campo, e sta nella tramoggia più che nel ciclone stesso.

Riferimenti

  1. Hoffmann, A. C. & Stein, L. E. (2008). Gas Cyclones and Swirl Tubes: Principles, Design, and Operation, 2nd ed. Springer. DOI: 10.1007/978-3-540-74696-6
  2. Morsi, S. A. & Alexander, A. J. (1972). An investigation of particle trajectories in two-phase flow systems. Journal of Fluid Mechanics, 55(2), 193–208. DOI: 10.1017/S0022112072001806

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