Ottimizzazione del flusso d'aria su sistemi di raccolta polveri, nebbie e fumi

Di Lori Lehner, Responsabile della formazione tecnica di Donaldson Torit

Estendi la vita utile del filtro. Conserva l'energia. Risparmia.

L'ottimizzazione del controllo del flusso d'aria nel collettore di polveri, nebbia e fumi offre importanti vantaggi, tra cui un prolungamento della vita utile del filtro, una maggiore conservazione dell'energia e un risparmio sui costi complessivi. Inoltre, in molte applicazioni, il corretto flusso d'aria è fondamentale per la qualità. Un flusso d'aria eccessivo in una saldatura di acciaio inossidabile può allontanare il gas di protezione dalla saldatura abbassandone la qualità, mentre un flusso d'aria insufficiente può esporre gli operatori a composti pericolosi come il cromo esavalente.

Nelle applicazioni relative alla lavorazione dei materiali, in cui polveri infiammabili possono costituire un problema, il corretto flusso d'aria risulta particolarmente importante, in quanto un flusso d'aria eccessivo può estrarre il prezioso prodotto dal processo conducendolo nel flusso dei rifiuti, ma un flusso d'aria troppo scarso può far sì che la polvere sfugga al processo ed eventualmente aumentare i rischi di polveri infiammabili all'interno dello stabilimento.

L'impatto del flusso d'aria sulla vita utile dei filtri viene spesso ignorato durante le operazioni, ma può risultare significativo quando i filtri vengono installati per la prima volta. A livello operativo, la scarsa resistenza alla pressione iniziale dei filtri nuovi può comportare un aumento del flusso attraverso il sistema, che potrebbe anche non essere un problema per le operazioni, ma che potrebbe ridurre drasticamente l'intero ciclo di vita dei filtri (spesso più che dimezzandolo). Una strategia di controllo del flusso d'aria per mantenere il flusso d'aria di progetto estenderà l'intero ciclo di vita del filtro.

Risparmi energetici e costi complessivi variano in base alla strategia di controllo del flusso d'aria e vengono descritti di seguito.

Il metodo tradizionale per controllare il flusso d'aria prevede la regolazione manuale di un regolatore in uscita sulla ventola del collettore. Può trattarsi di un modo efficace per il controllo del flusso d'aria, se eseguito correttamente e regolato spesso, poiché le condizioni del sistema cambiano nel tempo. Sfortunatamente, non tutti gli operatori sanno come regolare correttamente un regolatore in uscita e, di conseguenza, non è raro che un impianto incorra in una riduzione della vita utile del filtro, una qualità del prodotto compromessa e, di conseguenza, in un incremento dei costi di pulizia e di quelli operativi.

Approcci alternativi per ottimizzare il controllo del flusso d'aria prevedono di:

• Utilizzare un regolatore a palette in entrata
• Modificare la ventola sostituendo le pulegge
• Utilizzare un sistema di controllo digitale con azionamento a frequenza variabile (VFD)

Si riportano di seguito pro e contro di ciascun approccio:

Regolatore a palette in entrata

Un regolatore a palette in entrata può offrire risparmi energetici pre-ruotando l'aria man mano che entra all'interno della ventola, che quindi non viene sovraccaricata di lavoro. Questa opzione offre alcuni risparmi di potenza e di energia, con un costo di capitale relativamente basso. Lo svantaggio del regolatore a palette in entrata è dato dal fatto che questo richiede comunque delle regolazioni manuali, poiché le condizioni del sistema cambiano nel tempo e ciò prevede una possibile richiesta di manutenzione per il regolatore. 

Modificare la ventola sostituendo le pulegge sul motore e/o sulla ventola

Un'altra opzione per controllare il flusso d'aria è quella di modificare effettivamente la velocità di rotazione della ventola installando nuove pulegge sul motore e/o sulla ventola. La bassa velocità di rotazione della ventola riduce la potenza del freno, permettendo di risparmiare sui costi operativi. Si tratta di una modifica che può risultare conveniente da un punto di vista economico, tuttavia, non è semplice regolare la velocità della ventola in un'ampia varietà di situazioni. Inoltre, ciò comporta solitamente l'impiego costante di un regolatore per la messa a punto del flusso d'aria, poiché le condizioni del sistema cambiano nel tempo. 

La strategia di sostituzione delle pulegge non è infrequente, in quanto vengono generalmente applicati fattori conservativi durante la progettazione del sistema per mantenere le velocità al suo interno. L'identificazione ed eliminazione di stime progettuali conservative può offrire alcuni risparmi energetici. I progettisti includono spesso un pollice o due in più in riferimento alla capacità statica in una ventola per ottenere una resistenza inattesa nella progettazione del condotto. 

Un esempio di pratica progettuale conservativa sarebbe il settore cerealicolo, dove molti progettisti adottano 4.500 piedi al minuto come velocità minima di trasporto poiché la staticità del sistema varia (a causa dell'accumulo di polvere sui filtri). Gli operatori non possono regolare il regolatore in uscita (supposto che ce ne sia uno) nel tentativo di evitare l'accumulo all'interno del condotto di polvere, che è infiammabile e costituisce un serio pericolo. I progettisti di sistemi utilizzano spesso velocità conservative, superiori al necessario, per compensare riduzioni impreviste del flusso d'aria.

Controlli digitali con azionamento a frequenza variabile (VFD)

Il metodo più efficace per ottimizzare il flusso d'aria in un collettore è mediante un controllo digitale che utilizza un azionamento a frequenza variabile (VFD).¹ Questo metodo monitora un parametro del sistema, come la pressione di velocità all'interno di un condotto o la pressione statica all'ingresso del collettore, i quali possono entrambi essere direttamente collegati a un parametro operativo desiderato, come la portata volumetrica. Il sistema di controllo digitale mediante VFD può monitorare lo stato del sistema e regolare automaticamente il flusso d'aria quando le condizioni all'interno del sistema cambiano con il passare del tempo.

Il principale vantaggio di un VFD a controllo digitale è che mantiene automaticamente il flusso d'aria di progettazione al variare delle condizioni del sistema. Si stabilisce il flusso d'aria di progettazione e un tecnico imposta il sistema di controllo digitale per la variabile di controllo durante l'avvio iniziale. Ciò previene ogni successiva necessità di un operatore di regolare manualmente uno smorzatore al variare delle condizioni del sistema (ad esempio, la caduta di pressione aumenta quando la polvere si accumula sui filtri). Il sistema del flusso d'aria con VFD a controllo digitale aiuta a mantenere un'adeguata cattura nelle cappe, conservando un'elevata produttività, lasciando il prodotto dove si suppone che debba stare nel processo e contribuendo a garantire aria di qualità nell'area di respirazione dei lavoratori.  Il sistema con VFD a controllo digitale garantisce, inoltre, una velocità di trasporto costante, comportando una riduzione dell'accumulo di materiale all'interno dei condotti, riducendo al minimo la manutenzione e i potenziali rischi, come incendi nei condotti. 

Un sistema con VFD a controllo digitale produce, inoltre, un risparmio energetico simile a un'accensione del motore graduale, riducendo i costi del picco dei consumi. Un ulteriore vantaggio dell'utilizzo di un VFD a controllo digitale è dato dalla riduzione del rumore.  Evitando il volume d'aria in eccesso e la velocità associata, si ha una sostanziale riduzione del rumore rispetto all'impiego di uno smorzatore in uscita. Un cliente, che gestisce un'officina di spruzzatura termica, ha dichiarato che dopo aver installato un collettore di polveri con questo tipo di sistema, la riduzione del rumore è stata talmente drastica che ha deciso di aggiornare tutti i suoi collettori di polveri con VFD a controllo digitale.

Uno svantaggio dei sistemi con VFD a controllo digitale è dato dai costi di capitale. Prendendo in considerazione un sistema di controllo VFD, cerca degli sconti visitando siti come DSIRE™ (Database of State Incentives for Renewables & Efficiency) e società elettriche e del gas locali.  Si tratta di incentivi spesso cospicui, che controbilanciano gran parte del costo di capitale di un sistema con VFD a controllo digitale.  È importante notare che alcune organizzazioni richiedono di presentare la domanda (e persino che questa venga approvata) prima che possa essere emesso un ordine di acquisto per comprare un'apparecchiatura.

Se il carico statico del sistema ha una media di 7", anziché di 10" di colonna d'acqua, necessari quando i filtri stanno per giungere al termine della loro vita utile, la velocità media della ventola (utilizzando un VFD) può essere ridotta a 1680 RPM.  A quel punto, il costo operativo annuale sarebbe inferiore.

Per la maggior parte della vita operativa dei filtri, la ventola costerebbe 12.500 $ per una differenza di 4.500 $ all'anno di risparmio. Ciò equivale a 1.500 $ per ogni pollice di pressione statica risparmiata in questo sistema per tale ventola e il risparmio si protrae anno dopo anno.

Lo stesso scenario a 0,20 $ per kWh genera un risparmio di 18.000 $ o 6.000 $ per pollice di pressione statica risparmiata annualmente.

Anche una curva della ventola, che coincide esattamente con il flusso d'aria del tuo collettore, includerà uno o due pollici di pressione statica aggiuntiva per far fronte a ostacoli imprevisti e variazioni delle condizioni del filtro. Con un sistema che mantiene automaticamente il flusso d'aria di progettazione, il rischio che il materiale nel condotto fuoriesca dal flusso d'aria si riduce e può essere selezionata una velocità di trasporto meno conservativa.

I risparmi si sommano

Un sistema dotato di un regolatore del flusso d'aria VFD ha un costo inizialmente superiore, ma il ritorno sugli investimenti (ROI), basato unicamente sul risparmio energetico, è solitamente previsto in meno di due anni e ciò non tiene conto di ulteriori risparmi derivanti da una maggiore vita utile del filtro e un migliore controllo del processo. 

Modi per ottimizzare ulteriormente il tuo sistema e beneficiare di risparmi energetici:

• Utilizzare setti filtranti di alta qualità, che permettano alla polvere di accumularsi in superficie, anziché di penetrare in profondità. Ciò migliora la pulizia, riduce la caduta di pressione e prolunga la vita utile del filtro. Tieni presente che ogni pollice di pressione statica costa denaro e utilizzare un setto per l'accumulo di polvere in superficie permette spesso di risparmiare, mediamente, da uno a due pollici di pressione statica rispetto ai setti di base.
   
  
• Per un maggiore risparmio energetico, apporta al tuo sistema le seguenti correzioni:
  • Rimuovi inutili raccordi a gomito per raddrizzare il percorso del condotto,
  • Sostituisci eventuali raccordi a gomito direttamente davanti alla ventola con una scatola in ingresso ben progettata,
  • Sostituisci i raccordi a T con le classiche entrate derivate a 30 gradi e riprogetta o sostituisci eventuali cappe inefficienti e/o danneggiate.

Ottimizzando il flusso d'aria nel collettore di polveri, fumi o nebbie, un sistema di controllo del flusso d'aria VFD si è dimostrato essere l'opzione più affidabile poiché offre una vita utile del filtro prolungata, conserva energia e permette, infine, di risparmiare denaro.