Cos'è un depuratore di olio combustibile?
Un separatore centrifugo, noto anche come ‘centrifuga’, è una macchina progettata per separare le fasi di un fluido in base alla densità. Il termine ‘separatore centrifugo’ si riferisce al principio di funzionamento della macchina, che sfrutta la forza centrifuga. Depuratori e chiarificatori sono tipi di separatori centrifughi.
Depuratore di Olio Combustibile 3D
Questo articolo si focalizza sui depuratori di olio combustibile utilizzati nel settore marittimo. Durante la lettura, è possibile sostituire il termine ‘carburante’ con ‘fluido’ per applicare i principi di funzionamento ad altre applicazioni e settori, come ad esempio un depuratore di olio lubrificante invece di un depuratore di olio combustibile. Per ulteriori approfondimenti sui depuratori di olio combustibile, consulta il nostro Corso Online sui Fondamenti di Depuratori e Chiarificatori.
Nota: i termini ‘separatore centrifugo’ e ‘centrifuga’ sono spesso usati in modo intercambiabile; la differenza è solo terminologica.
Applicazioni del Separatore Centrifugo
La separazione di un fluido nelle sue diverse fasi è essenziale in molti processi ingegneristici. Alcuni esempi comuni includono:
- Rimozione di solidi e acqua da olio combustibile (come l'acqua dal diesel).
- Rimozione di grassi dal latte per produrre latte scremato (il grasso rimosso viene venduto come panna).
- Rimozione di gomme e lecitina da olio vegetale (migliora la qualità dell'olio, le gomme vengono vendute come sottoprodotto).
- Rimozione di acqua da indumenti bagnati (lavatrice).
Sistema di Carburante Marino
Questo articolo si concentra sui depuratori di olio combustibile utilizzati nei sistemi di alimentazione delle navi, ovvero depuratori che rimuovono acqua e impurità dall'olio combustibile. Un tipico sistema di olio combustibile per una grande nave commerciale (come una nave portacontainer o una petroliera) è illustrato di seguito. Le ‘centrifughe’ possono essere sia depuratori che chiarificatori, a seconda delle esigenze del sistema.
Sistema di Carburante di Nave Commerciale
Le navi commerciali tradizionalmente utilizzavano olio combustibile pesante (HFO), ma questo è cambiato nell'ultimo decennio a causa delle nuove normative ambientali. Una nave che utilizza olio diesel non richiederà riscaldatori nel sistema di carburante, poiché il carburante scorre facilmente nella maggior parte delle condizioni (bassa viscosità). L'olio combustibile pesante richiede riscaldatori all'interno dei serbatoi di carburante e di qualsiasi serbatoio di stoccaggio intermedio successivo a causa della sua alta viscosità (alta resistenza al flusso, cioè è ‘denso’ a basse temperature e non scorre facilmente).
Qual è la differenza tra un depuratore e un chiarificatore?
I depuratori e i chiarificatori sono tipi di separatori centrifughi. Un depuratore è progettato per separare fasi di un fluido e impurità. Un chiarificatore è progettato per separare solo impurità. Ad esempio, un depuratore di olio combustibile separerà l'acqua dal carburante, che rappresentano diverse fasi del fluido, e separerà anche le impurità solide come particelle di ruggine, particelle di ferro, particelle di alluminio ecc. dal carburante. Un chiarificatore separerà solo le impurità solide dal carburante, non separerà l'acqua dal carburante.
Flusso di Fluido in Entrata e Uscita da un Depuratore
L'immagine sopra mostra un depuratore alimentato con olio combustibile sporco. L'olio pulito e l'acqua vengono scaricati continuamente dal depuratore (frecce verso il basso). Qualsiasi solido/impurità nell'olio sporco si accumulerà all'interno del depuratore e deve essere rimosso periodicamente.
Confronto tra Depuratore e Chiarificatore
Ci sono diverse differenze importanti tra un depuratore e un chiarificatore:
- I depuratori hanno un disco di gravità, i chiarificatori no.
- I depuratori richiedono acqua di tenuta, i chiarificatori no.
- I depuratori separano acqua e impurità, i chiarificatori separano solo impurità.
Parti Interne del Depuratore di Olio Combustibile
Le parti interne di un depuratore possono essere approssimativamente divise tra usa e getta e non usa e getta. Le parti usa e getta sono guarnizioni e O-ring; le parti non usa e getta sono tutte le altre parti. Le parti interne comuni di un depuratore di olio combustibile auto-disincrostante sono mostrate di seguito.
Parti Interne del Depuratore di Olio Combustibile
Le parti interne di un depuratore di olio combustibile consistono in:
- Anello di Bloccaggio (Anello di Blocco) – un anello di bloccaggio superiore e inferiore. L'anello di bloccaggio superiore è chiamato ‘grande anello di bloccaggio’ mentre l'anello di bloccaggio inferiore è chiamato ‘piccolo anello di bloccaggio’.
IMPORTANTE
Gli anelli di bloccaggio hanno una filettatura sinistrorsa, cioè devono essere ruotati a sinistra per serrarli e a destra per allentarli. Anche altre parti interne utilizzano una filettatura sinistrorsa!
- Cappuccio della Ciotola – si attacca al corpo della ciotola per formare un contenitore sigillato.
- Disco Superiore – trattiene il tubo di ingresso e uscita, i dischi di accoppiamento e il disco di gravità, in posizione sopra la pila di dischi.
- Tubo di Ingresso e Uscita – i fluidi entrano nella ciotola e vengono scaricati dalla ciotola attraverso questo collegamento.
- Disco di Gravità – imposta l'interfaccia tra il carburante e l'acqua all'interno del depuratore. I chiarificatori non hanno un disco di gravità perché non separano l'acqua dal carburante.
- Dischi della Ciotola – i dischi della ciotola sono pressati insieme sul distributore per formare una pila di dischi.
- Auto-disincrostante – lo scivolo di scarico, lo scivolo operativo, il supporto e l'anello dell'acqua operativa, sono tutti utilizzati per controllare l'operazione di disincrostazione di un depuratore auto-disincrostante (discusso più avanti nell'articolo).
- Corpo della Ciotola – forma la parte inferiore del contenitore sigillato; la parte superiore del contenitore è il cappuccio della ciotola.
Tutte le parti di un depuratore di olio combustibile devono essere fabbricate con tolleranze esatte a causa delle alte velocità operative a cui operano. Qualsiasi imperfezione presente sulle parti interne causerà squilibri quando il depuratore è in funzione, con effetti dannosi corrispondenti sul depuratore. Ciascuna delle parti di un depuratore ha un codice di fabbricazione stampato/inciso sulla loro superficie per garantire che una parte di ricambio adatta possa essere reperita dal produttore (il produttore bilancia ciascuna delle parti in fabbrica e ne registra le caratteristiche). Le parti del depuratore non devono mai essere condivise tra macchine!
Parti Esterne del Depuratore di Olio Combustibile
L'aspetto esterno di ciascun depuratore di olio combustibile differisce notevolmente, tuttavia ci sono alcune parti comuni presenti sulla maggior parte dei depuratori.
Parti Esterne del Depuratore di Olio Combustibile
Alcune delle parti più rilevanti sono discusse in maggiore dettaglio di seguito.
- Freno – per decelerare la macchina. Il freno deve essere applicato quando il depuratore non è più in rotazione o quando ruota a una velocità molto bassa.
- Sistema dell'Olio – composto dal tappo di scarico, dal tappo di riempimento e dal vetro di controllo del livello dell'olio. L'olio di lubrificazione viene aggiunto attraverso il tappo di riempimento e scaricato attraverso il tappo di scarico. È fornito un vetro di controllo del livello dell'olio per controllare visivamente il livello dell'olio (il livello dell'olio dovrebbe essere tra i segni minimo e massimo sul vetro di controllo).
- Contatore di Velocità – visualizza la velocità di rotazione dell'unità in giri al minuto (rpm).
- Motore di Azionamento – un motore a induzione elettrico collegato tramite ingranaggi o una cinghia all'albero di trasmissione del depuratore. La velocità di rotazione del motore è solitamente regolata tramite un azionamento a velocità variabile (VSD)/azionamento a frequenza variabile (VFD).
- Connessioni – per carburante sporco, acqua e carburante pulito.
Azionamenti del Depuratore di Olio Combustibile
I depuratori di olio combustibile possono essere azionati tramite ingranaggi o cinghie. L'arrangiamento di un depuratore azionato tramite ingranaggi è mostrato di seguito.
Depuratore di Olio Combustibile Azionato tramite Ingranaggi
I depuratori di olio combustibile azionati tramite cinghie sono anche abbastanza comuni; un arrangiamento è mostrato di seguito.
Depuratore di Olio Combustibile Azionato tramite Cinghia
Gli ingranaggi all'interno di un depuratore di olio combustibile sono fabbricati in acciaio inossidabile e non si usurano considerevolmente nel tempo, quindi vengono raramente sostituiti. Le cinghie devono essere sostituite frequentemente poiché si usurano nel tempo e perdono la loro resistenza alla trazione, il che porta al loro allungamento.
Teoria del Depuratore di Olio Combustibile
Per comprendere come funziona un depuratore - in effetti come funziona qualsiasi centrifuga -, è necessario comprendere il concetto di densità e forza centrifuga.
Densità
La densità può essere descritta come il peso di qualcosa in relazione al suo volume. Un oggetto pesante (grande peso) con un piccolo volume è considerato ad alta densità. Un oggetto leggero (basso peso) con un grande volume è considerato a bassa densità. Ad esempio, il piombo metallico è considerato molto denso perché ha un alto rapporto peso-volume.
Se due fluidi di densità diversa vengono mescolati insieme, si separeranno per densità se lasciati non agitati. Il diagramma sotto mostra un serbatoio riempito con olio combustibile sporco, cioè olio combustibile che contiene acqua e impurità.
Serbatoio di Olio Combustibile
Il processo sopra può essere descritto come:
- L'immagine a sinistra mostra il serbatoio del carburante pieno di olio combustibile sporco.
- L'immagine centrale mostra la condizione del serbatoio dopo aver atteso un periodo di tempo, ad esempio 24 ore.
- L'immagine a destra mostra la condizione del serbatoio una volta che l'acqua è stata drenata dal serbatoio.
Osservando l'immagine centrale, si nota che l'acqua nel carburante si è raccolta alla base del serbatoio perché è più densa del carburante. I fluidi più leggeri saranno sempre spostati dai fluidi più densi se lasciati non agitati, cioè i fluidi più densi affondano sotto i fluidi più leggeri. L'acqua è generalmente considerata ‘pesante’ e la maggior parte degli oli combustibili - e degli oli vegetali - sarà spostata da essa se mescolati insieme in un contenitore. Il tipo di separazione descritto è noto come ‘separazione gravitazionale’, o ‘separazione dovuta alla gravità’.
Olio Vegetale Spostato dall'Acqua
Forza Centrifuga
La forza centrifuga non è una vera forza, è una forza fittizia (non vera) usata per spiegare la seconda legge del moto di Newton. La seconda legge del moto di Newton è descritta come:
Il cambiamento di moto di un oggetto è proporzionale alla forza impressa; ed è fatto nella direzione della linea retta in cui la forza è impressa.
Per scopi ingegneristici, è meglio immaginare che la forza centrifuga sia la forza esterna esercitata su un oggetto in rotazione. Ad esempio, l'immagine sotto mostra due forze che agiscono sulla Terra, centripeta e centrifuga. Se la forza centripeta sta causando l'attrazione della Terra verso il sole, è necessaria un'altra forza per mantenere la Terra nella sua orbita; questa forza è la forza centrifuga.
IMPORTANTE – la spiegazione data sopra non è strettamente corretta in termini di fisica newtoniana, ma una spiegazione più approfondita è al di fuori dello scopo di questo articolo.
Forze Centrifuga e Centripeta
È possibile aumentare la forza centrifuga esercitata su un oggetto aumentando la sua velocità di rotazione. Quando un oggetto è vincolato a un punto centrale e viene applicata una forza, l'oggetto ruoterà attorno a quel punto, perché le forze centripeta e centrifuga sono bilanciate. Se l'oggetto diventa non vincolato, viaggerà su un percorso ad angolo retto rispetto al punto di rotazione; questo può essere dimostrato nell'immagine sotto di un uomo che fa girare un bambino in cerchio.
Esempio di Forza Centrifuga
Si può vedere che quando un oggetto ruota a velocità, le forze agiscono su quell'oggetto. Quando un fluido viene ruotato a velocità, le forze agiscono sul fluido causando la separazione del fluido nelle sue varie fasi. Le fasi più dense si allontanano ulteriormente dal punto di rotazione e spostano eventuali fasi più leggere nel processo. Ad esempio, se un contenitore cilindrico sigillato fosse pieno di olio combustibile sporco e ruotato molto velocemente lungo il suo asse centrale, le molecole d'acqua si sposterebbero verso l'esterno del contenitore e le molecole d'olio verrebbero spinte verso il centro del contenitore; le impurità dense nell'olio sporco sposterebbero l'acqua e si accumulerebbero sulla periferia più esterna del contenitore.
Separazione del Depuratore di Olio Combustibile
Come Funzionano i Depuratori di Olio Combustibile (Base)
Un depuratore di olio combustibile è un contenitore sigillato che viene ruotato ad alta velocità da un motore elettrico. Un fluido viene alimentato nel contenitore e il moto rotatorio (energia cinetica) del contenitore viene trasferito al fluido. Man mano che l'energia viene impartita al fluido, esso inizia a separarsi nelle sue fasi (acqua e olio) a causa delle loro differenze di densità; le impurità si accumulano sulla periferia esterna del contenitore poiché queste sono le particelle più pesanti sospese nel fluido. L'acqua e il carburante pulito vengono scaricati continuamente dal depuratore, mentre le impurità vengono rimosse periodicamente.
Nota - il ‘contenitore’ è formato serrando insieme il corpo della ciotola e il cappuccio della ciotola.
Come Funziona il Depuratore di Olio Combustibile (Dettagliato)
L'olio combustibile sporco viene alimentato nel depuratore tramite l'ingresso del carburante sporco. L'olio combustibile sporco entra nel coperchio del depuratore e scorre verso il basso attraverso il distributore e fuori dalla sua base. Dalla base del distributore, l'olio combustibile sporco scorre verso l'alto attraverso la pila di dischi. Il flusso attraverso la pila di dischi avviene attraverso piccoli fori situati sulla periferia esterna di ciascuno dei dischi.
Componenti Interni del Depuratore di Olio Combustibile
La separazione di acqua e impurità avviene tra i dischi della pila di dischi. Le molecole d'acqua coalescono sulla parte inferiore di ciascun disco e si spostano verso l'esterno verso la periferia della ciotola; particelle estranee e altre impurità si spostano anche verso la periferia della ciotola. L'‘olio combustibile pulito’ (carburante senza acqua e impurità) si sposta verso la parte superiore della pila di dischi ed è estratto attraverso il collegamento di scarico dell'olio pulito.
Pila di Dischi del Depuratore
L'acqua si accumula sulla superficie interna della ciotola del depuratore fino a quando non ha un volume sufficiente per fluire attorno al disco di gravità e fuori attraverso il collegamento di scarico dell'acqua. Un filo d'acqua dal collegamento di scarico dell'acqua può spesso essere visto quando un depuratore è in funzione, ma la quantità di acqua separata vista dipende fortemente dal tipo di carburante e dal suo contenuto d'acqua.
Uscite di Acqua e Carburante Pulito
Le impurità si accumulano sulla superficie interna della ciotola del depuratore e possono essere scaricate automaticamente tramite auto-disincrostazione, oppure devono essere rimosse manualmente.
Manutenzione del Depuratore
I depuratori e i chiarificatori richiedono relativamente poca manutenzione. Gli interventi di manutenzione sono classificati come ‘minori’ o ‘maggiori’, e questi avvengono a intervalli programmati basati sul tempo (ore di servizio) o sulla data (giorni dall'ultimo servizio, indipendentemente dalle ore di servizio).
Servizio Minore
Un servizio minore richiederà solo che il depuratore venga pulito e che le guarnizioni e/o gli O-ring vengano sostituiti. I pezzi di ricambio necessari per un servizio minore sono forniti in un Kit di Servizio Minore.
Servizio Maggiore
Un servizio maggiore include un servizio minore e altri compiti aggiuntivi. Un servizio maggiore richiede l'uso di molti più pezzi di ricambio, come cuscinetti e alberi ecc. I pezzi di ricambio necessari per un servizio maggiore sono forniti in un Kit di Servizio Maggiore.
Perché usare centrifughe invece della separazione gravitazionale?
Il processo di separazione gravitazionale è troppo lento per essere utilizzato nella maggior parte dei processi industriali. Molti processi industriali richiedono grandi volumi continui di fluidi, e non è possibile ottenere questo affidandosi solo alla separazione gravitazionale. Oltre ai bassi volumi, la qualità dell'output è anche difficile da determinare rispetto all'uso di una centrifuga.
La separazione centrifuga avviene perché gli effetti della gravità sono simulati e amplificati all'interno del depuratore. Quando un depuratore ruota ad alta velocità, le fasi del fluido all'interno del depuratore si separano a causa delle forze aumentate a cui sono sottoposte. Gli astronauti sperimentano una situazione simile quando sono sottoposti a una forza gravitazionale aumentata (forza g) come parte del loro addestramento per entrare nello spazio. Vengono posizionati all'interno di una cabina e ruotati ad alta velocità per simulare una forza gravitazionale aumentata; il tipo di macchina utilizzato per questo è chiamato ‘centrifuga umana’. La macchina mostrata di seguito è in grado di fornire 20g (20 volte la forza di gravità terrestre). Questo tipo di addestramento si è rivelato prezioso perché il sangue fluirà via dal cervello man mano che la forza g aumenta, il che può causare visione a tunnel e svenimenti; l'addestramento per questa eventualità aumenta la probabilità che un astronauta identifichi e rimedi alla situazione prima che diventi critica.
Centrifuga Umana da 20 g
Come Funziona l'Auto-Disincrostazione del Depuratore di Olio Combustibile
I depuratori di olio combustibile più grandi sono dotati di una capacità di auto-disincrostazione. Man mano che la ciotola di un depuratore si sporca, il diametro di lavoro della ciotola diminuisce gradualmente, e l'efficienza dell'unità diminuisce. Nei depuratori più vecchi, era necessario aprire frequentemente il depuratore per pulire le impurità/fanghi dalla superficie interna della ciotola del depuratore, ma la funzione di auto-disincrostazione consente di sciacquare un depuratore con acqua e disincrostare senza doverlo aprire.
Operazione di Auto-Disincrostazione
L'operazione di disincrostazione viene realizzata utilizzando un sistema di controllo idraulico situato sotto la ciotola scorrevole del depuratore (una piccola ciotola posizionata all'interno della ciotola principale). L'acqua viene drenata dal sistema, il che provoca lo spostamento verso il basso della ciotola scorrevole, scoprendo i porti di disincrostazione. Il fango viene scaricato attraverso i porti di scarico nella ciotola del depuratore, quindi l'acqua (acqua operativa) riempie nuovamente la camera sotto la ciotola scorrevole, il che provoca il sollevamento della ciotola scorrevole e la copertura dei porti di scarico del fango.
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