Operazioni unitarie per i processi ambientali - parte 1

Trasporto fluidi

I fluidi vengono trasportati all'interno di tubazioni. Un fluido ideale si sposta da A a B senza alcuna perdita di energia, mentre nei fluidi reali si verificano fenomeni che introducono perdite di energia.

Dimensionare le perdite di carico

Quando in un impianto si ha a che fare con lo spostamento di un fluido, la prima cosa da fare è dimensionare le perdite di carico. Per trasportare dei fluidi, occorre comprenderne le proprietà e il comportamento. Un fluido che scorre in una tubazione si comporta diversamente a seconda di:

• Proprietà fisiche del fluido (densità e viscosità)
• Velocità del flusso
• Geometria e dimensione del sistema, esprimibile tramite caratteristiche del sistema (diametro o diametro equivalente)

Tipi di moto

La tubazione in sezione diversa da quella circolare, evidenze sperimentali hanno dimostrato che in un sistema reale questi fattori determinano il tipo di moto:

Moto laminare

I microflussi all'interno della vena fluida seguono traiettorie parallele, non si mescolano e non interagiscono uno con l'altro. La velocità di ogni particella di liquido è sempre in ogni punto parallela all'asse della tubazione (no spostamenti trasversali).

Fronte di avanzamento: La velocità è maggiore al centro del tubo e diminuisce man mano che ci si sposta verso le pareti. Lo strato a contatto con le pareti risente del loro attrito; lo strato successivo viene a sua volta 'trascinato', e così via. Man mano che ci si sposta verso il centro, questo effetto di rallentamento diminuisce.

Moto turbolento

I microflussi non mantengono paralleli e si instaurano ampi scambi, benché si mescolano. Ciò che avviene è che si spostano nella direzione del moto e in direzioni periferiche, instaurando turbolenze e trasferimenti di massa in direzione trasversale. Tipico di alte velocità e basse viscosità. La velocità varia continuamente nel tempo in modulo e direzione.

Fronte di avanzamento: Piatto a causa del mescolamento degli strati. Lo strato limite che risente dell'attrito induce perché gli altri strati, essendo tutti mescolati, diventino uniformi. A seconda del tipo di moto, cambiano le condizioni di contorno.

Numero di Reynolds

Le grandezze che discriminano il tipo di moto possono essere raggruppate nel numero adimensionale di Reynolds (Re):

• Re < 2000: moto laminare
• Re > 4000: moto turbolento
• 2000 < Re < 4000: transito

Energia nei fluidi in movimento

Un fluido in movimento possiede energia sotto diverse forme:

• Energia potenziale: dislivello geodetico
• Energia di pressione: pressione del fluido nella sezione di vena
• Energia cinetica: velocità

Sommandole, si ottiene l'energia totale. L'energia di pressione relativa, energia potenziale e cinetica sono misurate in metri di colonna d'acqua (m.c.a.) indicano la pressione alla base di una colonna di altezza in metri riempita del liquido in questione (1 atm ≈ 10.33 m.c.a.).

Dinamica dei fluidi ideali

Nei fluidi ideali non ci sono interazioni con la vena in trasporto, quindi si muovono senza dissipare energia. Considerando due sezioni di una vena, supponendo che la vena sia stazionaria e il liquido occupi l'intera sezione, la somma di energia potenziale, cinetica e di pressione deve essere costante:

Equazione di Bernoulli (bilancio macroscopico totale di energia meccanica):

ETot sez. 1 = ETot sez. 2

Dinamica dei fluidi reali

Nei fluidi reali si dissipa energia durante il movimento dalla sezione 1 alla 2. Le perdite di carico rappresentano l'energia che il sistema perde per lo spostamento del fluido per contrastare l'effetto dell'attrito. Bilancio macroscopico totale di energia meccanica con perdite di carico distribuite.