3 – Dimensionamento dell`essiccatore

3 – Dimensionamento dell’essiccatore Il progetto termodinamico dell’essiccatore porta oltre che alla definizione dei parametri termodinamici di esercizio, anche alla parallela definizione delle dimensioni principali della macchina a partire dalle esigenze specifiche del progetto. Le ipotesi di base per l'analisi sono: a) stazionarietà del moto dei fluidi e della materia da essiccare; b) assenza di turbolenza nel moto dei fluidi nel tamburo rotante; c) fluidi ideali. Il dimensionamento dell’essiccatore a tamburo rotante comincia partendo dalla capacità produttiva della macchina: dal punto di vista funzionale essa apparterrà ad un linea di produzione in cui dovrà potersi interfacciare in ingresso con il nastro trasportatore proveniente dal trituratore monoalbero, mentre allo scarico sarà connessa al mulino raffinatore, posto a sua volta a monte della pellettatrice. Nel dettaglio, per il progetto “ECODENS‐ecostabilizzazione delle sanse mediante densificazione” si prevede per l’essiccatore la possibilità di potere operare sia con la sola sansa vergine (periodi di maggiore produzione di sansa da parte dei frantoi) sia con solo cippato proveniente dalla trinciatura/triturazione dei residui di potatura provenienti da aziende agricole (vigneto, frutteto, uliveto ecc.). La stagionalità della disponibilità di questi sottoprodotti dell’agricoltura, obbliga infatti ad una rapida essiccazione per evitare l’innescarsi di dannosi processi di putrefazione del materiale umido. Ciò determina la necessità di dimensionare l’impianto di essiccazione con capacità di lavorazione ben superiore a quella che si potrebbe facilmente stimare considerando la disponibilità di biomassa (sansa e residui di potature) uniformemente distribuita durante tutto l’anno. In particolare, si sceglie di individuare le dimensioni minime dell’impianto tali che lo stesso possa servire alla “lavorazione” delle sanse provenienti da un solo frantoio di dimensioni medie. In particolare, l’analisi dei frantoi presenti nel territorio mostra che mediamente tali impianti sono costituiti da linee di produzione con caratteristiche piuttosto standardizzate e capaci di fornire una “produzione” in sansa vergine pari a circa 350 tonnellate per stagione. Poiché mediamente un frantoio è dotato di 2 linee di produzione in parallelo, ne segue che la produzione media di sansa vergine per frantoio si attesta intorno alle 700 tonnellate per anno. Al fine di limitare gli inconvenienti legati all’uso di pellet da sola sansa vergine (difficile pellettizzazione ovvero pellet di bassa qualità e residui fissi nelle ceneri con conseguenti problemi di gestione delle piccole caldaie), il progetto ECODENS prevede l’uso di una micela di sansa vergine e legno con una percentuale di questo ultimo non inferiore al 30%. In altre parole il pellet che si vuole produrre sarà composto al massimo dal 70% da sansa vergine e dal 30% di residui di potature triturate di oliveto, vigneto e frutteto. Con questi valori si avrà una quantità annua di materie prime da essiccare pari a 1.000 tonnellate per anno, essendo 300 tonnellate costituiti da residui di potature di varia origine. Per quanto sopra detto, tenuto conto che i residui di potature sono caratterizzati da un contenuto di umidità più basso delle sanse vergini (20‐30% del legno contro il 55‐60% delle sanse), si aha che la miscela con rapporto 70/30 /sansa/legno) può considerarsi la condizione di riferimento per la progettazione dell’essiccatore in quanto ad essa corrisponde certamente la massima quantita di acqua da evaporare e quindi la massima potenza termica dell’impianto. Tenuto conto che la sansa è disponibile nel periodo di esercizio degli impianti oleari (frantoi), che mediamente corrisponde a circa 2 mesi lavorativi (in Sicilia dai primi di Ottobre ai primi di Dicembre), essendo necessario essiccare tale biomassa in tempi brevi e cioè praticamente in due mesi lavorativi, la capacità giornaliera dell’essiccatore dovrà essere pari a: Capacità giornaliera = =
16,7 tonnellate/giorno (1) E’ questa quella che possiamo definire la produzione media giornaliera del forno, poiché si dovrà tenere conto di necessari periodi di fermo del sistema per manutenzione (estrazione ceneri, ispezione tamburo) ecc. Considerando per esempio un tempo di fermo del 20%, cio equivale in pratica ad un funzionamento medio per 20 ore al giorno e pertanto ad una capacita produttiva oraria di essiccazione (C) pari a circa: C = (16,6 ton/gg)/20 = 850 Kg/h (2) Tale dato consente comunque una certa “elasticità” di funzionamento alla macchina che potrà trattare anche portate leggermente superiori qualora si intenda diminuire il rapporto sansa/cippato, mantenendo cosi la stessa capacita di trattare tutte le sanse provenienti da un frantoio medio. Ai fini delle successive calcolazioni si assume una capacita oraria dell’essiccatore arrotondata a 850 Kg/h: questa è la quantità di biomassa umida che potrà essere somministrata per ogni ora all’impianto. Preliminari prove fatte appositamente sulle sanse vergini fresche fornite dalla azienda partner Fll.i Bacchi s.a.s. e sui residui di potature forniti dalle aziende agricole partner (Provenzano, La Franca e Inghilleri), hanno mostrato che la sansa vergine ha una umidità massima del 54% (tipica del decanter a 3 fasi), mentre le potature in media hanno una umidità massima del 40%. Per ragioni conservative il calcolo dell’essiccatore è stato eseguito considerando una umidità massima della sansa vergine pari al 60% (valori possibili in condizioni estreme) e pertanto una miscela sansa vergine – legno avente una umidità media ponderata (xmp) pari a: 60% · 0,7
40% · 0,3
54% (3) Facendo riferimento al sistema aria‐acqua il dimensionamento di un essiccatore prevede il calcolo dei seguenti parametri : ‐ portata solido umido entrante/uscente dall’impianto ; ‐ portata aria calda essiccante; ‐ calore da fornire al solido per l’evaporazione dell’acqua; ‐ calore da fornire all’aria essiccante prelevata dall’atmosfera; Tali calcolazioni involgono la risoluzione di una serie di bilanci di materia e di energia (termici o di calore), di seguito in dettaglio riportati. Bilancio di materia relativo al solido secco Tale bilancio tiene conto che in condizioni stazionarie la portata di solido secco (W) entrante nel sistema deve essere uguale alla portata di solido secco uscente; si ha cioè: ·
·
(4) essendo Fe ed Fu rispettivamente la portata di solido in ingresso e in uscita (kg/h), ye e yu le percentuali in peso del solido secco (con umidità relativa nulla) in ingresso e in uscita (%). Calcolo della portata oraria di solido secco in entrata nell’essiccatore: Come calcolata attraverso la regola delle miscele (eq.3), la miscela di biomasse in entrata all’essiccatore ha umidità iniziale xmp= 0,54 (kgacqua/kgsecco), cui corrisponde una percentuale in peso del solido secco ye = 0,65; si ha pertanto una portata di solido (W) secco pari a : ·
850 · 0,65
550
/
(5) Calcolo della portata oraria di solido essiccato in uscita dall’essiccatore: Sebbene al fine di ottimizzare il processo di essicazione evitando inutili sprechi energetici, è consigliabile impostare i parametri di funzionamento in modo da avere in uscita una miscela di biomasse ad una umidità relativa pari a quelle tipica di equilibrio con l’atmosfera normale, e cioè pari a al 12%, per esigenze conservative di progetto si considera in uscita un materiale perfettamante secco, si pone xu = 0. A questo valore corrisponde in uscita una percentuale di solido secco yu = 1. In altre parole, ai soli fini del dimensionamento dell’impianto si considera una portata di solido essiccato (Fu) pari alla porta di solido secco : ,
550
/ (6) Bilancio di materia relativo all’acqua: Tiene conto che in condizioni stazionarie l’acqua uscente dal sistema è uguale all’acqua entrante nello stesso; si ha cioè: ·
·
·
·
(7) essendo G la portata di aria secca (kg/h), W la portata di solido secco (kg/h), Ue ed Uu la umidità assoluta entrante e uscente dell’aria (kgvap/kgas), xe e xu la umidità entrante e uscente del solido (kgacqua/kgsolido secco). Nel caso più comune di essiccamento diretto, effettuato con aria calda e secca a diretto contatto con il solido umido, il bilancio precedente si può opportunamente riscrivere in modo da calcolare la portata di aria secca necessaria: ·
·
·
·
(7a) (7b) /
·
Per il calcolo di tale portata è pero necessario definire opportunamente l’umidità in ingresso e uscita dell’aria. Calcolo della portata oraria di acqua da evaporare: Per il principio di conservazione della massa, in condizioni stazionarie la portata oraria di acqua da evaporare (E) è data dalla differenza delle portate del solido umido in ingresso e in uscita dall’essiccatore; si ha cioè: 850
550
300
/ (8) Ovviamente tale portata corrisponde all’acqua presente nella biomassa all’ingresso che è appunto pari a: H2Oin = 850∙(1‐ye)=850*0,35= 300 Kg/h. Se si fa lavorare il sistema con una umidità residua in uscita del 12%, a essa corrispondente yu= 0.89 e quindi ad una portata di acqua in uscita pari a: H2Oout = 550∙0,11 = 60,5 Kg/h. In queste condizioni ottimali la portata di acqua da evaporare scende quindi del 20% circa. Si può dire quindi che il sistema progettata ha un margine operativo del 20%. Calcolo portata d’aria essiccante Supponendo che l’aria atmosferica, in condizioni invernali, ha una temperatura di 10°C, con umidità relativa del 70% in ingresso, imponendo una temperatura ed una umidità relativa all’uscita del camino dell’essiccatore pari rispettivamente a 50°C ed a 80%, utilizzando il diagramma psicrometrico (vedi figura 7) è possibile calcolare la portata d’aria essiccante che deve entrare nel tamburo rotante. B A C
Figura 7 ‐ Diagramma psicrometrico dell’aria alla pressione di 101.323 kPa. Tenuto conto della relazione: ·
(9) dal diagramma psicrometrico (vedi figura 7), considerando i dati di ingresso e uscita sopra definiti, e cioé: ‐ aria in entrata nel forno: Ti = 10°C, Ur = 70% ‐ punto (A) ‐ aria in uscita al camino dell’essiccatore: Ur = 80%, Tu = 50°C° – punto (B) è facile calcolare l’umidità dell’aria ingresso e uscita. L’evaporazione dell’acqua dal solido avviene infatti grazie al raffreddamento adiabatico dell’aria rappresentato dal tratto B‐C (vedi diagramma psicrometrico), essendo C il punto univocamente individuato dalle condizioni finali dell’aria in uscita dal camino dell’essiccatore. Dal diagramma psicometrico si ricavano pertanto immediatamente i valori delle seguenti grandezze: Taria uscita forno= 200 °C; U1= 6 grvapore/1000 garia = 0,006; U2= 65 grvapore/1000 graria = 0,065 La temperatura massima in ingresso della aria cosi calcolata risulta congruente con le esigenze di progetto, in quanto tale temperatura garantisce l’assenza di nocivi fenomeni di “torrefazione” della sansa e del legno. Tenuto conto di tali valori si calcola quindi una portata di aria secca: ,
,
5.000
/ (10) Considerando per l’aria fredda un peso specifico di 1,297 Kg/m3 si calcola una portata volumetrica (Gv) di aria secca pari a : .
.
.
3855
/ (11) cui corrisponde una portata volumetrica di aria calda in uscita dal forno pari a: 6443
,
/ (12) Bilancio termico Il calcolo sopra eseguito consente di determinare la portata minima di aria capace di “assorbire” l’umidità contenuto dalla miscela umida di sansa vergine e legno. Affinché pero l’essiccamento avvenga realmente è necessario che l’aria sia in grado anche di cedere una sufficiente quantità di calore necessario alla evaporazione dell’acqua. Tenuto conto di operare in regime stazionario ovvero che deve ovviamente risultare: calore ceduto dall’aria = calore necessario per l’essiccamento Il calore ceduto dall’aria (Q) si calcola moltiplicando il calore specifico medio per il salto termico dell’aria tra ingresso e uscita dell’essiccatore; volendo teoricamente rendere possibile la completa essiccazione della miscela, si impone che all’uscita dell’essiccatore l’aria, in equilibrio termico con il solido, abbia una temperatura non inferiore a 110° C; pertanto, trascurando le perdite di calore nell’essiccatore (debitamente coibentato) deve verificarsi che (Q) risulti superiore al calore necessario all’essiccamento del solido; si ha: ·
·
(13) essendo Tea e Tua rispettivamente le temperature di entrata e di uscita dell’aria dall’essiccatore, pari a Tea=200°C e Teu=100°C; inoltre, con Cu si indica il calore specifico medio dell’aria tra le temperatura Tea e Tua , che risulta pari a: Cu =(1,025+1,012)/2=1,018 KJ/Kg∙°K = 0,243 Kcal/kg∙°C Dalla (13) Si ha quindi: (14) 5000 · 0,243 · 200
110
109.350 Kcal/h
127
(15) Il calore (Qeff) necessario per l’effettivo l’essiccamento della miscela di biomassa, è la somma di vari contributi quali: ‐ calore sensibile Q1 necessario per riscaldare l’acqua dalla temperatura iniziale del solido alla temperatura di bulbo umido a cui avviene l’evaporazione (100°C): ·
·
300 · 1 · 100
10
27000
/ (16) essendo Cacq il calore specifico dell’acqua,pari a 1 kcal/kg∙°C ; Tbe la temperatura di bulbo umido dell’aria in ingresso 100°C; Tse la temperatura del solido umido in ingresso = 10°C ‐ calore latente Q2 necessario per vaporizzare l’acqua alla temperatura di bulbo umido, pari a: ·
300 · 539,07
161.910
/
(17)
avendo indicato con λev il calore latente di evaporazione dell’acqua alla temperatura di bulbo umido (100°C), essendo λev = 2257 kJ/kg= 539,07 Kcal/Kg ‐ calore sensibile Q3 necessario per portare il vapore formato dalla temperatura di bulbo umido alla temperatura di uscita dell’aria dall’essiccatore: ·
·
300 · 0,466 · 110
100
1710
/
(18)
avendo indicato con Cvap il calore specifico del vapor d’acqua mediato tra le due temperature 110° e 100° ; si ha Cvap= 0,466 Kcal/Kg∙°C ‐ calore sensibile Q4 necessario per riscaldare il solido secco dalla temperature di entrata alla temperatura di uscita, imposta pari 100° C: ·
·
550
· 0.69 · 100
10
34155
/
(19)
avendo indicato con Cs il calore specifico del solido secco pari a (0.7 Csansa + 0.3 Cpotature) = (0.7*3000+0.3*2700)= 2910 J/Kg∙°K = 0.69 Kcal/Kg∙°C, e con Tsu e Tse rispettivamente le temperature di uscita e di ingresso del solido secco. Il calore necessario per il riscaldamento è quindi la somma dei 4 contributi sopra calcolati; si ottiene: 224.775 Kcal/Kg
261 kW
(20)
Il calore necessario al riscaldamento della miscela e dell’acqua da evaporare risulta superiore a quello che la portata d’aria prima calcolata (5.000 kg/ora) può fornire con un salto termico imposto di 90° C. Il problema pertanto si risolve o aumentando la portata di aria o aumentando la temperatura in ingresso della stessa. Poiché, al fine di non alterare le proprietà della biomassa si intende non superare la temperatura di ingresso aria di 200°C trovata, si opta necessariamente per la prima soluzione. La portata di aria necessaria (Gc) ad assicurare l’effettivo essiccamento della miscela risulta pertanto dalla relazione: /
3855
7933 mc/h
(21)
Il ciclo di essiccazione abbisogna pertanto di una portata di aria circa doppia di quella strettamente necessaria a “contenere” il vapore d’acqua estratto dalla essiccazione della miscela umida. E’ necessario pertanto un dotare l’impianto di essiccazione di ventilatore aria che abbia una portata massima di almeno 8.000 mc/h.