UN ORIGINALE SISTEMA DI AERAZIONE

DALLA TECNOLOGIA NAVALE

Ing. Alberto Amici, Ing. Angelo Maggi

E-mail : amici@mclink.it

 

  1. INTRODUZIONE

Disegno 1

 

In vari sistemi industriali (industria chimica, alimentare, depurazione delle acque, acquacoltura, ecc.) si utilizzano processi nei quali è necessario l’insufflare gas (aria, ozono, anidride carbonica, ecc.) nell’acqua o in altri liquidi. Attualmente vengono utilizzati vari sistemi che possiamo raggruppare in tre grandi gruppi:

I primi necessitano dell’ausilio di un compressore ed in vario modo miscelano il gas compresso col liquido; i secondi accentuano meccanicamente l’interscambio naturale fra superficie liquida e gas; gli aeratori idrocinetici sfruttano il principio di Bernulli accelerando il liquido per creare una depressione e richiamare gas in una vena di fluido. Questo lavoro presenta i vantaggi di un sistema di aerazione di tipo idrocinetico di nuova concezione. L’esperienza degli autori nella progettazione di eliche navali ha infatti condotto ad utilizzare, modificandola opportunamente, un elica per miscelare un gas con un liquido ( nel seguito saranno sempre aria ed acqua). L’originale sistema di aerazione ad elica unisce i vantaggi degli altri sistemi senza tuttavia evidenziarne gli svantaggi. Si tratta infatti di un sistema di facile ed economica installazione, che necessita di poca manutenzione, non rumoroso, che non produce spruzzi, senza pericolo di intasamenti, che garantisce un’ottima miscelazione ed omogeneizzazione all’interno delle vasche.

 

  1. PREMESSA
  2. Nella progettazione delle eliche navali, occorre prestare particolare attenzione alla problematica della cavitazione. Questa porta infatti notevoli problemi di vibrazione, rumorosità, erosione del materiale dell’elica con conseguente indebolimento strutturale e perdita di rendimento. Qual’è il fenomeno fisico denominato cavitazione? La geometria dell’elica di una nave può essere sintetizzata, se sezioniamo l’elica con un cilindro coassiale all’elica stessa, con profili alari (tipo NACA o similari). Se analizziamo l’andamento delle pressioni sul profilo alare risulta evidente una sovrapressione sulla faccia della pala ed una depressione sulla faccia opposta (dorso). La differenza delle risultanti genera la spinta propulsiva sulla nave ( vedi disegno 1 ). Nel caso in cui la pressione sul dorso della pala diventi inferiore alla tensione di vapore del fluido (acqua) nel quale l’elica lavora si innescano fenomeni d’evaporazione del liquido spesso istantanei. La creazione e l’implosione di queste bolle di vapore e la conseguente repentina variazione di pressione sulla superficie della pala creano il vistoso e fastidioso risultato sopra descritto. L’intuizione sulla quale si basa questo lavoro è la seguente: viste le elevate depressioni che spesso si incontrano sulle pale delle eliche, perché non utilizzarle per "richiamare" aria o gas nel fluido ottenendo così un aeratore semplice ed efficiente al tempo stesso?

     

  3. DESCRIZIONE DEL PRINCIPIO
  4. Disegno 2

     

    La tradizionale sezione alare dell’elica è stata sostituita con una sezione cava al suo interno ed

    Disegno 3

     

    aperta sul bordo di uscita (lato dorso) così da mettere in comunicazione la cavità interna della pala e l’acqua esterna (vedi disegno 2). La cavità è in comunicazione con un foro nel mozzo che prosegue lungo tutta la lunghezza dell’asse dell’elica che risulta completamente cavo. La zona interna di ogni pala è in comunicazione con l’aria esterna (o gas). Le velocità elevate con cui l’acqua lambisce il profilo alare crea una forte depressione. Come nell’eiettore, l’acqua ad elevata velocità entra intimamente in contatto con l’aria (o il gas) presente nella cavità interna di ogni pala, risucchiando l’aria e creando una sorgente di microbolle che seguono lungo la traiettoria del liquido. Si evidenzia quindi un’aspirazione d’aria (o di gas) che viene immessa e miscelata col liquido.

  5. DESCRIZIONE DELL’IMPIANTO PILOTA
  6. Disegno 4

    Disegno 5 Disegno 6

    E’ stato realizzato un impianto pilota per verificare la funzionalità del principio. Su questo prototipo sono state effettuate varie prove per testare i parametri più interessanti. Il prototipo è realizzato con un elica ad 8 pale (vedi disegno 3). E’ stato realizzato un tubo di aspirazione che funge anche da struttura portante del sistema, all’interno del quale ruota l’asse che fornisce potenza all’elica (vedi disegno 5). Le parti rotanti sono centrate da un lato dell’asse dal cuscinetto del motore elettrico (nel disegno il motore non è indicato) e dall’estremo opposto da un anello di teflon posizionato all’esterno del tubo di aspirazione e all’interno del mozzo dell’elica. L’aria od il gas che si vuole introdurre nel liquido entra dal manicotto superiore (vedi disegno 6), scende fra il tubo di aspirazione e l’asse rotante e si infila poi, passando attraverso le asole del mozzo, nelle cavità interne delle pale e in questa zona viene miscelata all’acqua. Si ottiene così una ossigenazione dell’acqua ed una completa omogeneizzazione della vasca. Con l’impianto così concepito, mettendo sul manicotto d’ingresso dell’aria una valvola a sfera è possibile misurare la depressione ottenuta dal sistema che sperimentalmente è stata misurata in 0,4¸ 0,6 bar.

     

  7. APPLICAZIONI E CAMPI D’IMPIEGO

Le applicazioni possono essere molteplici .

La descritta soluzione ad asse verticale con il motore elettrico al di fuori dell’acqua e l’elica immersa può essere utilizzata per:

Inoltre modificando l’applicazione è sicuramente interessante indagare il campo d’impiego come ossigenazione di grandi masse d’acqua come laghi, fiumi e zone di mare. Infatti l’elica da noi studiata rimane comunque per forma e per funzionamento un’elica navale. Se pensiamo di applicarla ad un battello, effettuando le modifiche necessarie , otteniamo un mezzo navale che durante il suo normale funzionamento ossigena l’acqua. Questo è un enorme vantaggio visti i grandi problemi di eutrofizzazione dei bacini d’acqua. L’immissione di ossigeno ne faciliterebbe l’auto-depurazione riportando gli specchi d’acqua ad una nuova vita.

  1. CONCLUSIONI

Le ricerche effettuate sull’elica a pale cave sopra descritta, ha dimostrato che il sistema, grazie al suo ottimo rendimento, all’abbinamento fra aeratore e miscelatore, alla sua semplicità ed alla sua economicità di costruzione, si pone come sistema ideale in molteplici campi d’applicazione.

 

Bibliografia: