About Michele Cifalino

Michele Cifalino

Mi sono laureato in Ingegneria Meccanica al Politecnico di Milano e successivamente ho maturato esperienza nel campo della progettazione meccanica. Da sempre però ho cercato di coltivare il mio interesse per l’astronomia: all’età di 11 anni ho iniziato ad osservare il cielo tramite un piccolo telescopio ricevuto in regalo a Natale, e da allora è nata la mia passione per le stelle. Terminato gli studi in ingegneria ho iniziato un nuovo percorso di studi laureandomi in Astronomia all’Università di Bologna. La curiosità e la determinazione sono le qualità che mi hanno da sempre contraddistinto e che mi hanno permesso di raggiungere i miei obiettivi. Attualmente sono impiegato in un’azienda a Lugano, nel settore farmaceutico, e mantengo viva la mia passione per il cielo lavorando occasionalmente come divulgatore scientifico presso planetari e osservatori astronomici.

Michele Cifalino

La misurazione di livello nei serbatoi industriali

In molti processi industriali è necessario stoccare in opportuni siti diverse sostanze chimiche, anche pericolose per l’uomo e per l’ambiente, per dosarle poi adeguatamente nel momento e nella quantità richieste dal processo produttivo.

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Come dimensionare una pompa centrifuga

dimensionamento pompe centrifughe

Il dimensionamento di una pompa centrifuga deve essere effettuato con grande cura nella fase preliminare di progettazione, per evitare sovradimensionamenti e garantire un ottimale funzionamento dell’impianto.

Le pompe centrifughe sono delle macchine operatrici che utilizzano potenza meccanica per aumentare l’energia del fluido sotto forma di pressione: molto schematicamente sono costituite da organi fissi e da un organo mobile, la girante, che possiede un moto rotatorio ad una certa velocità.

È facile comprendere l’importanza che ha questa parte mobile: si tratta del mezzo tramite il quale viene trasmessa pressione al fluido, e da questa dipendono le prestazioni, sia in termini di velocità di rotazione, sia per il profilo fluidodinamico.

Appare anche evidente che la progettazione di una pompa è una fase piuttosto complessa, costituita da diverse fasi, e che influenza in maniera cruciale l’efficienza dell’intero impianto.

Da che cosa dipendono le prestazioni di una pompa

Le prime considerazioni preliminari riguardano la definizione delle caratteristiche base di una pompa, ovvero la portata di fluido che dovrà circolare e le perdite di pressione; com’è intuitivo immaginare, le prestazioni di una pompa dipendono anche dalla velocità di rotazione, che è un primo parametro caratteristico da considerare.

In linea di massima, volendo trovare una relazione fra i parametri di maggior importanza per una pompa centrifuga, si può riconoscere che:

• la portata è proporzionale alla velocità di rotazione;
• la prevalenza è proporzionale al quadrato della velocità di rotazione;
• la potenza assorbita è proporzionale al cubo della velocità di rotazione;
• il rendimento è praticamente indipendente dalla velocità di rotazione.

Una volta precisato queste dipendenze vediamo come è possibile determinare i parametri operativi di una pompa centrifuga a partire dalla richieste fornite dall’impianto.

Portata e prevalenza

A parità di velocità di rotazione, la prevalenza (in pratica il salto di pressione fornito dalla pompa) diminuisce all’aumentare della portata erogata.

Le curve che rappresentano la prevalenza al variare della portata ad una certa velocità di rotazione prendono il nome di “curve caratteristiche”: sono ricavate sperimentalmente e solitamente fornite dal costruttore, oltre a essere la base per la scelta della pompa stessa.

Nei casi in cui è richiesta una prevalenza superiore a quella ottimale per un singolo stadio, è possibile disporre di più stadi in serie (pompe collegate in serie); in questo modo la portata trattata rimane invariata per ogni singolo stadio, mentre le prevalenze si sommano.

curva pompa in base al rapporto di velocità

Fig. 1: Curve caratteristiche reali di una pompa per diverse velocità di rotazione e curve attese in base al rapporto di velocità.

Potenza assorbita e rendimento

Ovviamente non tutta l’energia inizialmente disponibile viene trasferita al fluido, si deve perciò considerare un rendimento di tipo meccanico ma anche idraulico, dovuto a perdite di tipo fluidodinamico nei condotti. Questi aspetti verranno ovviamente considerati attentamente in fase di progettazione.

La prevalenza di una pompa dal punto di vista energetico rappresenta l’energia specifica, ovvero l’energia meccanica per unità di peso del liquido in movimento, fornita dalla pompa al liquido stesso.

Il peso del liquido in movimento che attraversa la pompa nell’unità di tempo è dato dalla portata per il suo peso specifico. Se chiamiamo ν il rendimento complessivo della pompa e del motore elettrico, la potenza assorbita risulta:

L’energia E, espressa in joule (J), necessaria per sollevare il volume di acqua V con prevalenza H e rendimento della pompa ν, risulta:

Solitamente la potenza assorbita è indicata dal costruttore tramite una curva che ne fornisce il valore in funzione della portata, così come il rendimento della pompa.

Dimensionamento della girante

Per impostare correttamente il progetto di una pompa è necessario scegliere adeguatamente la geometria della girante e le opportune sezioni di passaggio da dedicare al fluido trasportato.

Anche la forma e le dimensioni della cassa ne influenzano il comportamento, e di conseguenza il dimensionamento si baserà sui parametri impostati dall’impianto. La scelta di questi elementi è di cruciale importanza oltre che di una certa complessità: per questo esistono dei diagrammi statistici tramite i quali è possibile ricavare delle indicazioni sulla geometria della macchina, noti il regime di rotazione, la portata elaborata e la prevalenza ad essa richiesta.

A questo punto si può correlare la portata e la prevalenza che la pompa deve garantire alle dimensioni specifiche, consentendo di stimare il diametro esterno della girante, una volta nota la velocità di rotazione. A tale scopo occorre definire delle quantità adimensionali chiamate velocità e diametro specifico, secondo le formule seguenti.

Dove la velocità ω è misurata in [rad/s], la portata Q in [m3/s], la prevalenza H in [m] ed infine g rappresenta l’accelerazione di gravità. La velocità specifica è talvolta indicata anche come indice caratteristico k.

Grazie a queste quantità adimensionali (che non dipendono da caratteristiche geometriche) è possibile correlare la portata e la prevalenza che la pompa deve garantire alle dimensioni necessarie, permettendo quindi di stimare il diametro esterno della girante, una volta nota velocità.

Il grande vantaggio dell’utilizzo di queste due grandezze adimensionali è che nell’espressione della velocità specifica non compaiono grandezze geometriche, e nella formula del diametro specifico non compare il regime di rotazione della macchina, ma solo portata e prevalenza.

Dimensionamento di una pompa centrifuga: un caso pratico

In generale le fasi di progettazione e dimensionamento si possono strutturare in diversi punti:

• calcolo degli indici caratteristici della macchina e delle sue dimensioni principali a partire dalle richieste di progetto.
• analisi e progetto dei triangoli di velocità
• tracciamento del profilo delle pale
• dimensionamento della girante
• verifiche e test conclusivi

Vediamo un caso come si applicano i concetti sopra esposti ad un caso pratico: si chiede ad esempio di effettuare il dimensionamento di massima di una pompa centrifuga destinata a trasferire acqua tra due serbatoi, entrambi a pressione ambiente e posti a una quote differenti.

La pompa è trascinata da un motore elettrico alimentato a frequenza di rete. Sono dati la differenza di quota H = 50 m, la portata richiesta Q = 100 m3/h e la velocità di rotazione n = 2940 r/min.

Senza approfondire la parte più tecnica riguardante la geometria delle pale e della chiocciola, è interessante affrontare la definizione degli indici caratteristici della pompa.

Il primo passo consiste nel calcolare la velocità di rotazione:

Per definire i parametri geometrici e cinematici di base, la tipologia e il rendimento della pompa, si ricava la velocità specifica espressa in precedenza, anche definita come indice caratteristico k, che classifica la geometria della macchina (da cui dipende anche il rendimento).

E’ possibile quindi esprimere la portata (Q) in unità del sistema internazionale:

Il dimensionamento della pompa è possibile considerando i diagrammi statistici, a partire dal calcolo della velocità specifica come riportato di seguito:

Dalla figura seguente si osserva che la macchina è a flusso prevalentemente radiale, adatta quindi a prevalenze medio-elevate e a portate modeste.

Con i dati ottenuti in precedenza si può stimare la potenza assorbita dalla pompa:

Nota la potenza assorbita, è possibile stimare anche la coppia trasmessa e successivamente dimensionare l’albero che muove la girante, con il relativo diametro di imbocco. È necessario ovviamente considerare il carico di snervamento del materiale, tipicamente acciaio.

Si procede poi a stimare il rendimento totale della pompa e le caratteristiche geometriche. Da opportuni diagrammi si ricavano altri parametri adimensionali (indicati spesso con Φ e ψ), ovvero numero di portata e numero di prevalenza, correlazioni che definiscono le dimensioni della sezione di uscita del condotto.

Una volta stimati i valori di velocità assiale, presente alla bocca d’aspirazione e la velocità radiale sulla mandata si procede al dimensionamento della girante e alle verifiche necessarie per concludere la progettazione.

 

Fonti:
A. Monno, “Dispense di meccanica: Turbomacchine”, Politecnico di Milano, A.A. 2008/2009
A. Cardamone, “Cuttings Re-Injection: studio di fattibilità del processo e progettazione della pompa centrifuga operante nel sistema”, Politecnico di Milano, corso di laurea magistrale in Ingegneria Energetica, A.A. 2012/2013 G. Megale, “Quaderni di Idraulica Agraria”, Università di Pisa, A.A. 2006 – 2007
www.energiazero.org

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Produzione e stoccaggio dell’acqua ossigenata

autobotte per acqua ossigenata

L’acqua ossigenata è utilizzata in ambito medico come disinfettante ma riveste un ruolo primario anche in ambito industriale: il perossido di idrogeno (al 50%) è infatti un potente agente sbiancante in uso nell’industria cartiera e per la de-inchiostrazione nel riciclaggio della carta straccia, mentre nell’industria tessile viene impiegata sia come agente sbiancante che ossidante.

Esistono tuttavia anche altri settori in cui si impiega questa sostanza, come la protezione ambientale per il trattamento delle acque reflue, nel trattamento fumi e terreni contaminati (bonifica), nell’industria dei detergenti e detersivi, nell’industria chimica e trattamento metalli (per il decapaggio di superfici metalliche).

A livello chimico una soluzione di acqua ossigenata è altamente volatile e corrosiva ad alte concentrazioni. La reazione di decomposizione è la seguente:

2H2O2 → 2H2O+O2+Q

dove Q è la quantità di calore che libera la reazione.

Naturalmente rappresenta una reazione esotermica con sviluppo anche violento di ossigeno, che può provocare combustione (anche se la reazione può essere controllata con composti stabilizzanti agendo sul pH). L’ossigeno allo stato nascente (atomico) che si libera, intacca i gruppi cromofori delle sostanze coloranti e induce decolorazione; la velocità di decomposizione dell’H2O2 aumenta notevolmente con il pH e con la temperatura.

Considerazioni generali

Da queste semplici considerazioni di carattere chimico emerge la necessità di rivolgere attenzione a tutta la filiera produttiva di questa sostanza, fino allo stoccaggio e al trasporto.

A livello impiantistico gli attuali processi di produzione di acqua ossigenata risultano abbastanza costosi e di forte impatto ambientale, e si basano su un processo continuo detto “all’antrachinone”: si tratta di una sintesi indiretta a partire da idrogeno e ossigeno (dell’aria), su supporto organico di antrachinone.

Dal punti di vista tecnico esistono diverse fasi che si possono così riassumere:
• idrogenazione
• ossidazione in aria
• depurazione prodotto finito
• concentrazione prodotto finito
• stoccaggio di acqua ossigenata
• processi di rigenerazione e trattamento effluenti alcalini

La selezione dei materiali utilizzati per le attrezzature di stoccaggio e movimentazione deve poter garantire il rispetto delle specifiche di compatibilità e di sicurezza data la natura della sostanza.

Il perossido di idrogeno deve essere quindi stoccato in aree a temperatura controllata, ventilate e al riparo dalla luce solare diretta; durante la produzione, il caricamento e il trasporto, il prodotto deve essere manipolato in un ambiente molto pulito, seguendo attentamente le procedure previste dai protocolli di sicurezza.

A tale scopo diverse aree di impianto, inclusa produzione e stoccaggio, devono essere alimentate con aria adeguatamente filtrata per evitare contaminazione esterna da polveri.
A livello tecnico esistono alcune specifiche da rispettare per ogni componente dell’impianto:

Serbatoi

È importante notare che tutti i contenitori di stoccaggio del perossido di idrogeno (ad esempio fusti, serbatoi, camion cisterna o vagoni ferroviari) siano recipienti a pressione atmosferica e dotati di uno sfiato continuo progettato correttamente per il rilascio di piccole quantità di ossigeno normalmente liberate dal perossido di idrogeno, in quanto composto estremamente volatile. E’ necessario anche predisporre i serbatoi di aperture manuali (maniglioni) per l’ispezione diretta, ove richiesta.

stoccaggio perossido di idrogeno

Fig 1: Equipaggiamento di base di un serbatoio per lo stoccaggio del perossido di idrogeno

 

I serbatoi saranno quindi implementati con una serie di indicatori di temperatura, di pressione e di livello, in grado di monitorare continuamente lo stato del materiale stoccato in totale sicurezza.

A livello di componenti esistono alcuni materiali poco idonei come i metalli in generale, ottone, Rame, Nickel, Ferro e acciaio mentre si preferisce impiegare alluminio (se il serbatoio è di piccole dimensioni) oppure materie plastiche come PTFE, Teflon, Polietilene o PVC.

Tubi e raccordi

Le tubazioni per il perossido di idrogeno devono essere opportunamente saldate e flangiate.

I sistemi filettati non sono consigliati, poiché le tubazioni filettate in alluminio e acciaio inossidabile potrebbero non mantenere la tenuta stagna, tuttavia possono essere utilizzate in aree dove è presente una scarsa concentrazione di sostanza (ad esempio connessioni di valvole di sicurezza).

Le tubazioni devono essere sistemate all’esterno quando possibile, per minimizzare i rischi causati da una eventuale perdita. E’ inoltre sconsigliato l’utilizzo di qualsiasi lubrificante fra le parti a contatto con il prodotto.

Valvole e pompe dosatrici per la produzione di perossido di idrogeno

Le valvole a sfera sono altamente utilizzate negli impianti che utilizzano perossido di idrogeno, tuttavia è necessario prevedere uno sfiato (tipicamente un piccolo foro nella sfera) in modo da evitare alte sovrappressioni nella fase di chiusura dovute alla decomposizione dell’acqua ossigenata.

Valvola a sfera per perossido di idrogeno

Fig 2: Modifica di una valvola a sfera per perossido di idrogeno

 

Possono essere impiegate valvole sfiatate disponibili in commercio o a sfera come le C200 di ASV Stubbe, opportunamente modificate aggiungendo un piccolo foro (tipicamente 1/8 “) in un lato della sfera in modo che, nella posizione” chiusa “, la cavità sfiati a monte nel liquido, come mostrato nella figura.

Le pompe adibite al dosaggio e alla movimentazione del perossido di idrogeno sono tipicamente realizzate in acciaio inossidabile o politetrafluoroetilene (PTFE).

Considerazioni impiantistiche

Sulla base di quanto specificato è evidente che il perossido di idrogeno sia una sostanza chimica potenzialmente pericolosa se maneggiata in modo improprio.

In generale quindi è utile attenersi ad alcune linee guida:
• Evitare lunghe tubazioni.
• Ridurre al minimo le valvole e i raccordi.
• Fornire un dispositivo di decompressione in qualsiasi linea in cui possano essere presenti soluzioni contenenti perossido di idrogeno.

La figura sottostante rappresenta un diagramma di processo di un tipico impianto di stoccaggio e movimentazione di acqua ossigenata con due pompe dosatrici per il dosaggio in un’unica linea.

Le valvole di pressione entrano in gioco nel momento in cui si creano sovrappressioni apprezzabili nella linea, allo scopo di prevenire eventi esplosivi; tutti i singoli componenti devono rispondere ai requisiti in termini di materiali e di sicurezza precedentemente descritti.

linea di dosaggio

Fig 3: Linea di dosaggio del perossido di idrogeno

 

(Fonti: www.solvay.us www.h2o2.com)

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Impianti termici e incrostazioni: il trattamento delle acque

Incrostazioni scambiatori di calore

Gli impianti termici sono spesso soggetti a inconvenienti come depositi, incrostazioni, e crescite biologiche; queste problematiche, legate alla qualità dell’acqua e alle sostanze in essa presenti, possono pregiudicare seriamente l’efficienza degli impianti determinando perdita di efficienza nello scambio termico, elevata rumorosità, rottura di apparecchiature e occlusioni delle linee.
Il trattamento dell’acqua, indispensabile per ridurre i costi e i consumi dell’impianto, va eseguito anche per ottemperare alle normative. Per prevenire i fenomeni di incrostazione e corrosione, la normativa italiana (D.P.R. 59/2009 e normativa UNI 8065 per gli impianti civili) impone trattamenti specifici rivolti a:
• preservare i componenti nel tempo;
• assicurare duratura regolarità di funzionamento alle apparecchiature ausiliarie;
• minimizzare i consumi energetici.

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Criteri di ottimizzazione energetica degli impianti industriali

Pompe ottimizzate ASV Stubbe

Nei costi di produzione industriali la componente energetica è diventata un fattore chiave: nel contesto di crescente globalizzazione dei mercati internazionali, infatti, la ricerca dell’efficienza dei processi produttivi è spesso l’unica leva per mantenere e accrescere la competitività, in alternativa all’innovazione del prodotto.
Un dato sicuramente importante è che il 74% dell’energia consumata nel settore industriale italiano è attribuibile ai sistemi motore, come compressori, ventilatori e pompe. Nell’ottica del risparmio energetico questa tecnologia è quindi di fondamentale importanza perché anche un piccolo aumento dell’efficienza dei sistemi motore permetterebbe di ridurre notevolmente i consumi di energia elettrica.

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