[Salta al contenuto]
Filtri per Verniciatura, Filtri UTA e strumenti per trattamento Aria
AEROFEEL - Filtri per Verniciatura, Filtri UTA e strumenti per trattamento Aria

La misura dell’efficienza di filtrazione dell’overspray (parte 1)

Le emissioni industriali in atmosfera, si sa, sono uno dei problemi che il legislatore si trova ad affrontare.

Se la definizione di un limite alle emissioni è opera tutto sommato semplice, non si può dire altrettanto per la fase di controllo di questo limite.
Senza entrare nel merito e senza esprimere giudizi sul perché di questa situazione, è però un dato di fatto che gli enti pubblici a ciò preposti (le ARPA) sono notoriamente caratterizzati (salvo alcune eccezioni, più uniche che rare) da una endemica carenza di risorse sia umane, che economiche, che strumentali.
A fronte di ciò, il legislatore che predispone le autorizzazioni per gli scarichi in atmosfera, non può prescindere da questa consapevolezza e non può esimersi dal trovare idonei rimedi a riguardo.

Uno degli strumenti di semplificazione a disposizione dell’ente autorizzatore è la cosiddetta “autorizzazione in via generale”.
Utilizzabile per un certo numero di attività caratterizzate dall’avere un medio-basso impatto ambientale (le attività a ridotto inquinamento atmosferico), questo tipo di autorizzazione permette una notevole riduzione dei tempi burocratici consentendo l’avvio pressoché immediato dell’attività se vengono rispettate determinate prescrizioni e requisiti tecnico-operativi per gli impianti e/o i prodotti utilizzati. In quest’ambito, la filosofia adottata da alcuni enti è quella che prevede la sostituzione dei controlli analitici al camino con dei controlli formali della documentazione cartacea (certificazioni, analisi di prodotto, ecc) che accompagna un impianto o le sue componenti.
Nell’ambito specifico di alcune attività a ridotto inquinamento che prevedono operazioni di verniciatura, la questione riguarda – tra l’altro – la definizione di un criterio che permetta di valutare l’effettiva validità delle caratteristiche tecniche dei filtri per overspray, in particolare della loro efficienza.

A livello nazionale ed europeo non esistono norme tecniche e/o metodologie standardizzate che consentano di dare una risposta definitiva a tale problematica.
Le norme esistenti (dalla EN 779, alla DIN 24184 e simili) si riferiscono alla ventilazione ed al condizionamento di ambienti, oppure ai filtri assoluti, cioè ad un tipo di particolato e a condizioni operative completamente diverse da quelle che caratterizzano una cabina di verniciatura.

L’overspray prodotto in una cabina di verniciatura ha infatti caratteristiche variabili che possono dipendere sia dal tipo di sistema di applicazione (l’aerosol prodotto può essere molto fine oppure grossolano), sia dal tipo di vernice (le particelle possono avere comportamento variabile, dall’appiccicoso al secco, ed evolvere verso una condizione secca in maniera molto differente), sia da altri fattori.

Per trovare qualche possibile risposta, abbiamo provato a recarci – virtualmente – oltreoceano per “curiosare” tra la normativa e le metodologie statunitensi.
Effettivamente qui la problematica sembra essere stata sviscerata in maniera alquanto approfondita sia da EPA (Environmental Protection Agency), sia da alcuni produttori, sia da ricercatori ed istituti di ricerca indipendenti, alcuni dei quali in collaborazione o ingaggiati da EPA.
Tenteremo di dare qui di seguito una sintesi di quello che abbiamo trovato.
I parametri importanti per la scelta di un filtro sono quattro:

  1. la capacità di carico: è l’abilità del filtro di catturare e trattenere l’overspray così che non si accumuli nel sistema di ventilazione (condotti, ventilatore, valvole). La capacità di carico è definita come la quantità di overspray che può essere trattenuta dal filtro, misurata in kg/m2. Maggiore è la capacità e minore è la frequenza di sostituzione.
  2. la perdita di carico: è correlata alla capacità di carico. L’incremento della differenza di pressione ai capi del filtro provocata dall’accumulo di vernice, determina la riduzione della portata e della velocità dell’aria nel sistema di aspirazione; il filtro va sostituito quando tale differenza di pressione supera un livello prestabilito.
  3. l’efficienza di cattura e la penetrazione: sono una misura della quantità di materia che resta nel filtro o che lo attraversa. Sono una il complementare dell’altra. Una efficienza del 98% corrisponde ad una penetrazione del 2%. La penetrazione è un parametro utile in quanto enfatizza la quantità di materia che viene emessa; un filtro con efficienza del 98% emette il doppio di un filtro con efficienza del 99%.
  4. l’efficienza frazionale: è l’abilità di un filtro di catturare particelle di differenti dimensioni e viene indicata per ogni intervallo dimensionale testato. Per meglio definire le caratteristiche del filtro, viene inoltre definito un diametro di cutoff che è il diametro minimo a partire dal quale almeno il 50% delle particelle – per ogni intervallo dimensionale – vengono catturate dal filtro.

In Figura 1 vengono esplicitati questi concetti.

Figura 1

La penetrazione e l’efficienza frazionale sono i due parametri più importanti per caratterizzare le prestazioni relative alla qualità dell’aria per una cabina di verniciatura. Capacità e perdita di carico sono relativi ai costi di gestione e non influenzano le emissioni se la gestione dei filtri (pulizia e/o sostituzione) avviene in maniera corretta.

Anche negli Stati Uniti non sono presenti, attualmente, dei metodi standard in grado di predire in maniera sufficientemente realistica l’efficienza di captazione e l’efficienza frazionale di un filtro per overspray.

I metodi ASHRAE 52.1 (per l’efficienza media) ed EPA 319 (per l’efficienza frazionale) sono caratterizzati dal fatto che la prova viene effettuata esponendo direttamente il filtro in prova a particelle di un determinato composto (KCl, NaCl, acido oleico, polveri).
In realtà questi metodi, benché accettati dall’industria, non forniscono una valutazione veritiera delle prestazioni del filtro, per almeno due ragioni.

In primo luogo, è assodato che l’adesione delle particelle di vernice sulla superficie del filtro varia ampiamente a seconda del tipo di vernice. Quando le particelle attraversano il filtro, l’efficienza di raccolta dipende dalle dimensioni delle particelle stesse e dalla loro capacità di adesione al filtro. Di conseguenza, qualsiasi test che utilizza come sostanza di prova qualsiasi sostanza diversa dalla vernice che verrà usata con quel filtro, non fornirà una indicazione veritiera sull’utilità di quel filtro per quella particolare applicazione. Per esempio, una vernice a rapida essiccazione usa normalmente un solvente molto volatile che rende le particelle di vernice più asciutte e meno appiccicose. Se usiamo ad es. KCl per fare il test di prova, le informazioni ottenute non potranno essere confrontabili.

In secondo luogo, i metodi in uso non sono in grado di fornire indicazioni sulla capacità del filtro di trattenere l’overspray. L’overspray è costituito dalle particelle di vernice che non si sono depositate o che sono “rimbalzate” sulla superficie da verniciare. E’ stato dimostrato sperimentalmente che le dimensioni delle particelle dell’overspray sono di molto inferiori rispetto a quelle prodotte direttamente dalla pistola. Ma i test standard prevedono di spruzzare direttamente sul filtro la sostanza di prova e quindi il test non è realistico poiché il filtro deve catturare l’overspray e non le particelle che escono dalla pistola, che sono più grandi e più facilmente catturabili.

U.S. Patent n. 6027759 – 2000

Il brevetto di cui si è riportato qui sopra uno stralcio, prevede invece un sistema di misura in cui la vernice viene spruzzata non direttamente sul filtro in prova, ma contro un bersaglio che simula il pezzo da verniciare; in questo modo, il sistema di aspirazione capta solo l’overspray prodotto e lo invia al filtro in prova. Questo sistema, tuttavia, probabilmente per la complessità della camera di prova, non risulta essere in uso.

ASHRAE 52 – Parte 1

L’ASHRAE (Società americana degli ingegneri del settore riscaldamento, refrigerazione e condizionamento dell’aria) pubblica due differenti standard che forniscono agli utilizzatori di valutare le prestazioni dei filtri applicati in questo settore.
Lo Standard 52.1-1992 fornisce tre importanti criteri di valutazione riferiti alle polveri: l’efficienza puntuale (“dust spot efficiency”), l’arrestanza e la capacità di carico.
Lo Standard 52.2-1999 fornisce l’efficienza iniziale del filtro in funzione delle dimensioni delle particelle e un valore numerico che permette di specificare l’efficienza minima testata (MERV).
Entrambi gli standard forniscono altresì un altro importante parametro: il valore iniziale di resistenza al flusso.

Introduzione
Nell’era dei filtri metallici, i test sulle prestazioni dei filtri erano effettuati mediante misure gravimetriche con polveri sintetiche in un ampio range dimensionale. Sebbene tali filtri mostravano una efficienza del 50% sulla polvere campione, lo sporcamento nelle aree di controllo era sempre presente, come dimostrato nell’esempio che segue:
– supponiamo che un filtro abbia una efficienza media del 50% in peso, relativamente al campione di polvere sintetica. Supponiamo inoltre che l’efficienza di rimozione per particelle di 5 micron sia il 100% ma che sia lo 0% per particelle di 1 micron;
– una particella di 5 micron ha un peso relativo di 125;
– 125 particelle di 1 micron hanno un peso relativo di 125.
Se 126 particelle (1 da 5 micron e 125 da 1 micron) vengono inviate al filtro, quella da 5 micron viene catturata ma le altre 125 lo attraversano.
Si può dire che questo filtro ha una efficienza di rimozione del 50% in peso tuttavia, se si determina l’efficienza con il metodo del conteggio particellare, la sua efficienza risulterebbe < 1% (1/126 = 0,8%).
Questo ipotetico filtro, classificato secondo tale metodo con efficienza al 50%, risulterebbe quindi idoneo per catturare lo sporco su base quantitativa (peso), ma lascerebbe passare tutte le particelle più piccole che sono proprio quelle che contribuiscono allo sporcamento degli ambienti (in un'aria campione tipica, più del 98% delle particelle presenti hanno dimensioni < 1 micron).

Col passare del tempo e con l'avanzamento della tecnologia, la necessità di determinare con maggiore precisione l'efficienza di rimozione del particolato fine, divenne sempre più importante.
Con l'incremento delle prestazioni dei sistemi HVAC (sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria), le alette degli scambiatori sono diventate sempre più fitte e i costruttori hanno notato che tali scambiatori possedevano di conseguenza una arrestanza intrinseca variabile tra il 40 e l'80%. Spesso, gli scambiatori mostravano nella pratica una arrestanza maggiore di quella dei filtri che in teoria erano preposti a proteggerli; a ciò si aggiunga il fatto che quanto maggiore è lo sporcamento degli scambiatori, tanto maggiore è il consumo energetico del sistema e tanto minore è lo scambio termico.

In seguito a ciò, il National Bureau of Standards (NBS) e il Dill Dust Spot Test introdussero due nuovi metodi per misurare l'efficienza di rimozione del particolato submicronico:
– l'efficienza di rimozione del solo particolato atmosferico;
– l'efficienza di rimozione di una polvere sintetica di prova (precipitato di Cottrell e lanugine).
Questi metodi forniscono differenti valori di efficienza, a parità di filtro testato.
Un filtro potrebbe risultare di avere una efficienza del 18% nel rimuovere il particolato atmosferico e una del 90% nel rimuovere la polvere sintetica.
Si può capire come ingegneri e utilizzatori potessero trovarsi in difficoltà nel comparare prodotti differenti.

LA ASHRAE 52.1-1992
In risposta alle richieste degli utilizzatori, la ASHRAE sviluppò un proprio standard, il cui scopo era il seguente:

  1. definire un procedura uniforme per un test comparativo utile a costruttori ed utilizzatori al fine di valutare le prestazioni dei dispositivi di filtrazione del particolato;
  2. stabilire delle specifiche tecniche per la strumentazione da utilizzare durante questo test;
  3. definire un metodo uniforme per la stesura del referto.

La ASHRAE 52.1-1992 fornisce tre misurazioni specifiche che caratterizzano le prestazioni di un filtro:

  1. l’efficienza puntuale per pulviscolo atmosferico (espressa in %); è una misura dell’abilità del filtro a rimuovere il pulviscolo atmosferico presente nel flusso campione, che si basa sulla trasmissione della luce attraverso bersagli di carta “normalizzati” posti a monte e a valle del filtro. Viene effettuata una regolazione del flusso d’aria in modo che si verifichino uguali variazioni della trasmissione della luce sia a monte che a valle; il rapporto tra flusso iniziale e flusso regolato viene convertito in un valore di efficienza: maggiore è l’efficienza e maggiore risulta essere la resistenza allo sporcamento.
  2. l’arrestanza (espressa in %); è una misura gravimetrica dell’abilità del filtro a rimuovere la polvere sintetica campione.
  3. la capacità di carico (espressa in grammi); viene definita come il prodotto tra la quantità (in grammi) di polvere sintetica campione inviata al filtro e la sua arrestanza media.

L’efficienza puntuale e l’arrestanza sono la media dei valori riscontrati nel test, attraverso una procedura di riempimento del filtro che risulta accelerata rispetto alle normali condizioni di funzionamento del filtro, ma che cerca di simularle.

Procedura per l’efficienza puntuale

  1. pesare il filtro da testare;
  2. installare il filtro nel condotto di prova e misurare la resistenza (o caduta di pressione iniziale) del filtro pulito;
  3. l’efficienza puntuale è un indice di sporcamento che utilizza l’opacità di un foglio campione come elemento di misura. Tarare l’opacimetro usando come zero l’assorbimento di luce di una lampada standard;
  4. valutare i fogli bersaglio misurando la trasmissione della luce attraverso di essi. Valori tipici sono 80-85% di trasmisssione e 15-20% di assorbimento;
  5. confrontare due campioni bersaglio con simili letture della trasmissione (es. 81% ed 82%);
  6. installare i fogli bersaglio nelle apposite sedi: uno a monte ed uno a valle del filtro. Durante il test devono essere soddisfatti alcuni requisiti:
    – il campionamento dell’aria atmosferica deve essere sufficientemente prolungato da permettere variazioni significative dell’opacità del foglio bersaglio. Poiché il bersaglio a valle riceve l’aria più pulita, il tempo di campionamento più prolungato si deve avere nelle giornata più limpide e con i filtri a maggiore efficienza. La variazione minima di opacità non deve essere inferiore al 10%;
    – il tempo di campionamento tuttavia non deve essere così esteso da eccedere il 40% nella variazione dell’opacità;
    – occorre tenere in considerazione il valore atteso di efficienza del filtro al fine di programmare appropriatamente le letture dei fogli bersaglio. Le letture finali dei due bersagli non devono discostarsi tra loro più del 20%.

Avendo stabilito una programmazione del campionamento rappresentativa dell’efficienza, si stabilisce la portata d’aria e il test può avere inizio. Il test va protratto almeno fino a quando si verifica una variazione minima di opacità non inferiore al 10%. L’efficienza viene calcolata mediante la seguente formula:

E = 100*(1 – Q1/Q2)*O1/O2

dove:
Q1 = flusso d’aria che attraversa il bersaglio a monte
Q2 = flusso d’aria che attraversa il bersaglio a valle
O1 = opacità sul bersaglio a monte
O2 = opacità sul bersaglio a valle

Il test iniziale è ora completo. Esso viene ripetuto continuamente ad ogni riempimento parziale del filtro (25% – 50% – 75% della capacità di carico e alla resistenza finale).

Procedura per l’arrestanza
Questo test viene effettuato come parte della procedura di riempimento del filtro durante il quale vengono effettuate quattro misure, una per ogni incremento percentuale della capacità di carico.
Il campione sintetico della polvere di prova è così costituito:
– 72% in peso di polvere fine standardizzata (classificata anche come Polvere di strada dell’Arizona);
– 23% in peso di Molocco Black;
– 5% in peso di Cotton Linters #7, ottenuti da un mulino Wiley con setaccio da 4mm.

  1. coprire i contenitori della polvere;
  2. pesare un filtro ad alta efficienza (95% o più della efficienza puntuale) e installarlo a valle del filtro da testare;
  3. fare una stima di quanta polvere sarà necessaria per portate il filtro in prova alla sua resistenza finale, così come definita dalle caratteristiche tecniche del costruttore. Introdurre ¼ di questa quantità nell’erogatore di polvere;
  4. selezionare una frequenza di erogazione tale per cui la polvere presente nel flusso d’aria che attraversa il filtro abbia una concentrazione di circa 70 mg/m3. Durante il riempimento, monitorare il flusso d’aria e regolarlo, se necessario (il flusso decresce man mano che il filtro si riempie, aumentando la propria resistenza al flusso stesso);
  5. raccogliere tutta la polvere che si può essere depositata sui condotti, pesarla e compensare i dati con questo valore;
  6. alla fine del riempimento, fermare il flusso d’aria, rimuovere e pesare il filtro finale a valle del filtro in prova. La differenza di peso è la quantità di polvere che ha attraversato il filtro in prova. La differenza tra la polvere complessivamente erogata e quella catturata dal filtro finale rappresenta l’arrestanza del filtro in prova.

NOTE
Il test di efficienza puntuale viene eseguito in alternanza con il test sull’arrestanza. Le letture del primo sono in totale cinque, quelle del secondo sono in totale quattro.
Se i risultati del primo forniscono un valore inferiore al 20% allora l’efficienza media del filtro dovrà essere riportata come “inferiore al 20%” e non va indicata quella effettivamente misurata.
L’ASHRAE 52.1-1992 fornisce uno strumento eccellente per valutare filtri di costruzione simile:
– l’efficienza puntuale fornisce un valore per l’abilità del filtro di rimuovere le particelle di sporco;
– specialmente nel caso di filtri a più bassa efficienza puntuale, l’arrestanza è uno strumento per comparare un prodotto con un altro costruito in modo simile (tipicamente nel caso di filtri in fibra di vetro, metallo e poliestere);
– il valore di capacità di carico fornisce una indicazione della vita media dei filtri, così da poterne effettuare la comparazione.

(Traduzione da :”ASHRAE Testing for HVAC Air Filtration – A Review of Standards 52.1-1992 & 52.2-1999“)

Potresti essere interessato a…

La ventilazione in cabina: una variabile sotto controllo (parte 1)

Molto si è detto circa i benefici economici ed operativi che si possono ottenere applicando i principi del controllo di processo al settore della finitura.
L’avvento di PLC affidabili e di strumentazione adeguata come i trasduttori di pressione e i misuratori di flusso ha messo gli operatori del settore nelle condizioni di monitorare e controllare la maggior parte delle variabili di processo relative all’applicazione a spruzzo delle vernici liquide. Ciò ha comportato sia un miglioramento delle prestazioni tecniche (ad esempio, la durata del rivestimento) che la riduzione degli scarti e delle doppie lavorazioni. Nella maggior parte dei casi, inoltre, il costo di investimento aggiuntivo viene velocemente ripagato.
Ciononostante, una delle variabili più significative nel processo di finitura, la ventilazione della cabina, rimane difficile da controllare. Nonostante molti tecnici si siano cimentati nel controllare questo parametro, in rari casi è stato raggiunto un successo duraturo.
Le variazioni della portata di aria nelle cabine a secco sono di gran lunga maggiori rispetto a quelle nelle cabine ad acqua. La resistenza al flusso d’aria aumenta man mano che il filtro si carica di overspray e il flusso in uscita decresce rapidamente.
In confronto, le cabine ad acqua a cui viene fatta una corretta manutenzione, forniscono un flusso d’aria pressoché costante.
Ma in seguito ai cambiamenti nelle normative ambientali, le cabine a secco – una volta relegate a fine linea o per semplici operazioni di rifinitura – sono diventate la scelta principale per molte industrie. Gli operatori non devono più preoccuparsi di pompe e ugelli che si intasano, né di quintali di acque esauste contaminate da residui chimici potenzialmente pericolosi.
Sfortunatamente però le cabine a secco non forniscono una aspirazione stabile e costante. La linea rossa in Figura 1 illustra accuratamente la variazione del flusso d’aria esausta scaricata da una cabina a secco, in funzione della durata del filtro (ciclo completo di carico).

Figura1

A filtro pulito, la portata d’aria risulta in eccesso mentre, al contrario, a filtro carico risulta decisamente in difetto. In un filtro a secco tipico è normale che la velocità dell’aria abbia variazioni comprese tra il 15% e oltre il 60% di quella ottimale.
Queste eccessive variazioni possono avere conseguenze negative sia per la salute dei lavoratori che per la sicurezza degli stessi e delle attrezzature presenti in cabina.
Il paragrafo 7.2 dell’NFPA 33 richiede che la ventilazione interna sia “in grado di confinare e rimuovere i vapori e le nebbie in un luogo sicuro” e sia “in grado di confinare e controllare i residui combustibili, le polveri e i depositi. La concentrazione di vapori e nebbie nell’aria esausta non deve superare il 25% del LEL”. Inoltre, il regolamento OSHA n. 29 CFR 1910.94 richiede che la cabina sia progettata in modo tale che la velocità dell’aria attraverso la sezione della cabina non sia inferiore a quanto specificato in Tabella 1.
Tabella1

Ma anche per quanto concerne le prestazioni tecniche, così elevate variazioni della velocità dell’aria possono risultare negative.
I verniciatori sanno sanno bene che la maggior parte dei metodi di applicazione ad alta efficienza della vernice (campane elettrostatiche, HVLP, airless) sono particolarmente sensibili alle minime variazioni di movimento dell’aria nello spazio tra l’atomizzatore e la superficie del pezzo da verniciare. Inoltre, è stato osservato – a parità di altre condizioni – che l’efficienza di trasferimento aumenta al diminuire della velocità media dell’aria in questo spazio.
Il corretto dimensionamento di una cabina a spruzzo è quindi un delicato bilanciamento tra il mantenere da un lato le adeguate misure di sicurezza e l’ottimizzare dall’altro le prestazioni della finitura. Data la breve vita di un filtro nei cicli ad alta produttività, ottimizzare le prestazioni di un sistema a spruzzo non è tecnicamente impossibile, ma sicuramente è una grossa sfida.
La velocità media dell’aria attraverso la sezione del filtro nelle cabine a spruzzo varia tipicamente tra 0,3 e 0,5 m/s. Le variazioni all’interno di questo intervallo sono difficili da rilevare senza l’aiuto di strumentazione sensibile. Ed è praticamente impossibile per l’operatore rilevare le variazioni e compensarle manualmente in tempo reale durante la normale attività produttiva.

La domanda a cui si deve dare risposta dunque è: quali strumenti sono disponibili affinché un operatore possa ottimizzare le prestazioni del processo di finitura e contemporaneamente assicurare i margini di sicurezza richiesti? [continua nella seconda parte]

[Liberamente tradotto da: “Booth Ventilation: A Controllable Variable” – PCI Magazine – www.pcimag.com]

Iscriviti alla newsletter di AEROFEEL e scopri nuovi prodotti, sconti e offerte! Iscriviti

arrow_upward
Oops! Sembra che hai disattivato JavaScript. Per vedere questa pagina correttamente, si prega di riabilitare JavaScript!
Save & Share Cart
Your Shopping Cart will be saved and you'll be given a link. You, or anyone with the link, can use it to retrieve your Cart at any time.
Back Save & Share Cart
Your Shopping Cart will be saved with Product pictures and information, and Cart Totals. Then send it to yourself, or a friend, with a link to retrieve it at any time.
Your cart email sent successfully :)