Controllo efficiente dei collettori di polveri per spruzzatura termica

Corretta progettazione del sistema

Le operazioni di spruzzatura termica più grandi in genere includono uno spazio chiuso in cui si verifica l'effettiva spruzzatura. I composti di spruzzatura inutilizzati sono quindi ventilati dalla custodia mentre è aspirata aria fresca all'interno di essa. A seconda del design dell'involucro e della forma del bersaglio da spruzzare, è possibile determinare un volume d'aria ottimale per un controllo adeguato del particolato nocivo. Per esempio, un involucro potrebbe richiedere 10.000 piedi cubi al minuto (cfm) per un corretto controllo della polvere. Di più sarebbe uno spreco e di meno sarebbe insufficiente.

Da quel punto di partenza è possibile progettare un adeguato sistema di raccolta della polvere. Questo di solito include un condotto per trasportare la polvere, un filtro per rimuovere la polvere dall'aria e una ventola per fornire l'energia per generare il flusso d'aria. La ventola di scarico per un sistema da 10.000 cfm potrebbe richiedere 30-40 cavalli. Il requisito del flusso d'aria è generalmente fisso e non dovrebbe cambiare a meno che l'involucro non venga riprogettato. È comunemente accettato che una velocità di 3.500-4.000 fpm sia ottimale per trasportare la polvere in un condotto circolare¹. Spostare l'aria più lentamente consentirà al particolato di polvere di fuoriuscire e depositarsi sul fondo del condotto, creando un rischio di incendio e bloccando potenzialmente il condotto. Spostare aria più rapidamente spreca l'energia della ventola e crea usura e lacerazioni inutili sui condotti. Per il nostro esempio, lo spostamento di 10.000 piedi cubi al minuto a una velocità di 3.500-4.000 piedi al minuto richiede la selezione di un condotto circolare da 22" di diametro. Questa selezione ha una sezione trasversale di 2,6398 piedi quadrati, con una velocità di 3788 piedi al minuto.

Ventola e pressione statica

Le ventole per la ventilazione industriale creano un vuoto parziale che aspira l'aria attraverso il sistema. Questo vuoto parziale è indicato come pressione statica e di solito viene misurato in "pollici d'acqua". I progettisti di sistemi utilizzano vari modelli matematici per stimare la pressione statica necessaria per raggiungere il flusso d'aria desiderato. I fattori di un sistema che influiscono sulla pressione statica necessaria includono, tra gli altri elementi:

• dimensioni e geometria dell'involucro di spruzzatura termica
• numero e raggio dei raccordi a gomito (o delle curve) nel condotto
• lunghezza totale dei condotti nel sistema
• diametro del condotto utilizzato e velocità dell'aria
• selezione del collettore di polveri
• elementi post-filtro (come filtro HEPA o silenziatore di scarico)

Molti di questi fattori non cambiano durante il funzionamento del sistema. Le eccezioni sono i filtri del collettore di polveri e i filtri HEPA. Man mano che la polvere si accumula sui filtri, la caduta di pressione o la resistenza sui filtri aumentano. Il sistema richiede una pressione statica aggiuntiva per superare l'accumulo di polvere sulla superficie dei filtri.

In genere, le ventole sono selezionate per garantire un flusso d'aria adeguato per tutta la durata dei filtri includendo una pressione statica sufficiente a mantenere il flusso d'aria quando i filtri raggiungono la fine della loro vita utile. I filtri che si avvicinano alla fine della propria vita utile mostreranno una caduta di pressione maggiore rispetto ai filtri nuovi. Per prolungarne la durata, i filtri in un collettore di polveri per la spruzzatura termica sono progettati per essere puliti in linea mentre il sistema è in funzione. L'accumulo ripetuto di polvere, seguito dal ciclo di autopulizia del collettore di polveri, provoca lievi fluttuazioni del requisito di pressione statica del sistema. Se ciò non viene risolto, è possibile che il sistema subisca riduzioni e aumenti del flusso d'aria con problemi associati alla sedimentazione della polvere nel condotto o all'interno dell'involucro di spruzzatura termica.

L'eccessivo flusso d'aria attraverso l'involucro di spruzzatura termica può influire sulla qualità del rivestimento allontanando il materiale spruzzato dalla parte bersaglio. Per evitare questi potenziali problemi, è necessario controllare il volume d'aria. Il dispositivo più comune utilizzato per controllare la ventola è un regolatore, che crea un carico artificiale sulla ventola per "richiamare" il flusso d'aria desiderato. Per mantenere il flusso d'aria, l'ammortizzatore dovrebbe essere aperto o chiuso se necessario per mantenere la velocità desiderata nel condotto². Ciò avviene raramente con la precisione richiesta per ottenere costantemente il flusso d'aria stabilito attraverso il sistema e, se fosse eseguito manualmente, richiederebbe una supervisione costante da parte di una persona qualificata. Questo sarebbe costoso e difficile, il che spiega perché la maggior parte delle operazioni di spruzzatura termica scelgono una mentalità "imposta e dimentica" per quanto riguarda il controllo della ventola.

Azionamenti a frequenza variabile e sistemi di controllo del flusso d'aria

Un modo migliore per controllare la ventola e mantenere un flusso d'aria costante nel sistema è con un azionamento a frequenza variabile (VFD). Un VFD aziona il motore della ventola a una velocità di rotazione specifica in base alla regolazione della frequenza in Hertz. Mentre la normale potenza trifase in Nord America di solito funziona con una frequenza di 60 Hz, un VFD consente all'operatore di selezionare una frequenza specifica che rallenta o accelera la velocità di rotazione della ventola. In un sistema ideale, il sistema funzionerebbe alla massima velocità solo quando richiesto dal carico di pressione statica dei filtri sporchi. Per il resto del tempo, la ventola funzionerebbe a una velocità inferiore per generare esattamente la quantità di staticità richiesta. Questo metodo di funzionamento offre vantaggi in termini di riduzione dei costi. Rispetto agli operatori che utilizzano l'approccio "imposta e dimentica" in cui gestiscono sempre i loro sistemi di raccolta della polvere a velocità più elevate del necessario (per garantire la ventilazione completa dell'involucro di spruzzatura termica), l'approccio VFD utilizza un sistema intelligente che funziona esattamente con la velocità di flusso d'aria necessaria risparmiando energia.

Esistono modelli matematici che possono aiutare a dimostrarlo utilizzando alcuni semplici presupposti e alcune variabili di sistema. In generale, un passaggio a VFD e al sistema di controllo del flusso d'aria possono ripagarsi da soli in meno di due anni e, cosa più importante, il sistema di raccolta della polvere funzionerà alla giusta velocità. Ciò può ridurre l'usura del sistema e in particolare dei filtri di alta gamma, a carico di superficie necessari per la spruzzatura termica. Qualsiasi decisione di passare a un sistema VFD e di controllo del flusso d'aria dovrebbe includere i seguenti risparmi come fattori:

• Costi di filtrazione
• Costo del lavoro
• Costi di smaltimento
• Costi di inventario
• Costi di spedizione (per nuovi filtri e smaltimento di vecchi filtri)
• Processo di qualità
• Stabilità operativa del sistema e corretta manutenzione del flusso d'aria nel sistema

Controllo del VFD

Una volta presa la decisione di utilizzare un VFD, il passo successivo è determinare il metodo per fornire input continui. L'obiettivo è mantenere il flusso d'aria desiderato indipendentemente dalle fluttuazioni della pressione statica del sistema. Utilizzando un dispositivo di misurazione del flusso d'aria installato nel sistema di condotti, il controller può regolare la velocità della ventola per correggere le variazioni. Questi strumenti sono più adatti agli ambienti ad aria pulita e pertanto sono generalmente installati nel condotto in un punto che si trova dopo quello in cui viene filtrata l'aria. Questo potrebbe essere un condotto all'uscita della ventola con la lunghezza necessaria per fornire un'indicazione regolare e affidabile del flusso d'aria totale che passa attraverso il sistema.

Un metodo alternativo consiste nel misurare la pressione statica del sistema, invece del flusso d'aria effettivo in un punto del sistema di condutture, appena prima che l'aria entri nel collettore di polveri. Al flusso d'aria stabilito, la quantità di elettricità statica necessaria è una funzione di fattori che dovrebbero rimanere invariati fintanto che il sistema non viene modificato meccanicamente. I filtri si sporcano e quindi vengono puliti, ma la pressione statica necessaria all'ingresso del collettore di polveri rimarrà la stessa se il sistema funziona al flusso d'aria stabilito. Il modo più semplice per controllare efficacemente un VFD in un sistema di raccolta della polvere è un controller che mantiene la staticità. Man mano che i filtri aumentano la resistenza, il flusso d'aria erogato dalla ventola diminuisce. Questa riduzione del flusso d'aria produce un requisito statico inferiore nel condotto davanti al collettore, quindi il controller ordinerà al VFD di aumentare la potenza per mantenere la staticità. Al contrario, quando i filtri sono puliti a impulsi, la resistenza nel sistema diminuisce e il VFD diminuisce la potenza per mantenere lo stesso livello di staticità. Il risultato è un flusso d'aria regolare con vantaggi e risparmi associati.

Considerazioni

Vi sono situazioni in cui l'utilizzo di un VFD e di un sistema di controllo del flusso d'aria avranno vantaggi limitati. Quando un singolo collettore di polveri (e una singola ventola) viene utilizzato per servire in modo intermittente solo una o due celle alla volta in un sistema a celle di spruzzatura termica multiplo, non esiste un modo semplice per utilizzare efficacemente la potenza variabile della ventola. Questa è una limitazione del sistema di canali, non una limitazione del VFD.

Conclusione

La tecnologia della spruzzatura termica si sta evolvendo e nuovi approcci spesso creano maggiori sfide per i componenti associati come i sistemi di scarico. Di contro, i progressi nei sottocomponenti possono aiutare a perfezionare le operazioni complessive di spruzzatura termica e praticamente ogni sistema di raccolta della polvere di spruzzatura termica esistente può trarre vantaggio dall'uso di un azionamento a frequenza variabile. Sta diventando sempre più evidente l'importanza del controllo preciso del flusso d'aria e anche il risparmio energetico può essere un ulteriore vantaggio.