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Cogenerazione, rumore di scarico e ottimizzazione acustica
Impianti DeNOx-SCR e controllo del rumore
Cristiano Vergani - Deparia - Enviroexperts Italia
I motogeneratori utilizzati nelle centrali energetiche non solo devono sottostare a dei limiti emissivi molto severi per quanto riguarda gli inquinanti atmosferici ma devono anche contenere il più possibile la diffusione di rumori molesti, specialmente nelle vicinanze di aree particolarmente sensibili: per questo è indispensabile mettere in atto una serie di accorgimenti preventivi che interessano in primo luogo l'impianto di trattamento dei gas di scarico.
In un tipico impianto di cogenerazione, esistono numerose fonti di rumore che devono essere tenute sotto controllo, dagli sfiati delle caldaie ai sistemi di ventilazione: tuttavia, le fonti di maggiore intensità sono generalmente rappresentate dai motori a combustione interna.
Diamo qui per scontato che il rumore del blocco motore sia efficacemente contenuto dalla struttura che accoglie e protegge il motogeneratore, grazie all'impiego di appositi container ad alto isolamento acustico. Andiamo invece ad evidenziare i problemi legati al rumore di scarico.
IL RUMORE DI SCARICO
Il rumore di scarico emesso direttamente da un MCI, senza alcun trattamento, può essere ad esempio come nel grafico riportato in Fig. 1, relativo ad un motogeneratore Jenbacher JMS 420 GS-C05 da 1.6 MW (20 cilindri per un totale di 61,1 l di cilindrata), alimentato a gas naturale.
I picchi di emissione a determinate frequenze dipendono sostanzialmente da due fattori specifici legati alla tipologia del motore, cioè il CFR - Cylinder Firing Rate e l'EFR - Engine Firing Rate: nei motori a 4 tempi, il CFR è pari a uno scoppio ogni due rivoluzioni dell'albero motore (RPM/120) mentre l'EFR è dato dal CFR moltiplicato per il numero dei cilindri (N), EFR=N(CFR).
Quindi, allo scarico di un determinato motore avremo l'emissione di determinati toni fondamentali e delle loro corrispettive armoniche. Nel nostro esempio, la frequenza a maggiore intensità sonora (119 dBA) è quella di 63 Hz, vicina alla 5a armonica del CFR, mentre la fondamentale dell'EFR (250 Hz) si trova ad un livello pari a 115 dBA.
Inoltre, occorre considerare che ogni elemento installato in serie sul percorso di scarico (caldaia, convertitore catalitico, silenziatore, camino) può, allo stesso tempo, ridurre l'emissione sonora (IL = Insertion Loss) ma anche diffondere delle emissioni secondarie (SN = Self Noise) per risonanza delle pareti metalliche di confinamento o di tratti delle canalizzazioni.
COME ATTENUARE LA RUMOROSITÀ DI SCARICO
Il principale metodo utilizzato per attenuare la rumorosità di scarico è rappresentato dall'impiego dei silenziatori reattivi (Fig. 2), nei quali i gas sono forzati ad attraversare una serie di camere e di tubazioni di collegamento, che nell'insieme costituiscono degli elementi risonanti in opposizione di fase in un certo spettro di frequenze (generalmente la massima attenuazione si ottiene tra 125 e 250 Hz).
Anche se la porzione più "energetica" dello spettro di frequenze del rumore emesso si concentra al di sotto dei 250 Hz, le frequenze più elevate (250-8000 hz) sono anch'esse presenti a livelli molto elevati e devono essere attenuate con la massima efficacia.
A tale scopo, si impiegano dei silenziatori cosiddetti assorbitivi (Fig. 3), costituiti generalmente da corpi cilindrici rivestiti internamente da pannelli di materiali fibrosi resistenti alle alte temperature, limitati da strutture di contenimento in rete metallica.
I silenziatori assorbitivi sono efficaci oltre i 1000 Hz, quindi non devono mai essere impiegati singolarmente ma solo come complemento ad un silenziatore di tipo reattivo. Nella maggior parte dei casi, al fine di contenere gli ingombri dell'impianto installato conviene ricorrere ad un silenziatore combinato reattivo-assorbitivo.
LA SOLUZIONE: OTTIMIZZAZIONE ACUSTICA DEI CONVERTITORI SCR-DENOX
Innanzi tutto, il primo passo consiste nella precisa caratterizzazione dell'esistente, in modo da definire il comportamento acustico dei convertitori attuali: questo può consentire di identificare rapidamente i comportamenti indesiderati di maggiore entità (risonanze, vibrazioni indotte, turbolenze eccessive) e procedere agli opportuni interventi correttivi, che in genere consistono in irrigidimenti strutturali e nell'aggiunta di correttori di flusso interni in lamiera forata.
La coibentazione esterna può a sua volta essere rivista utilizzando materiali più performanti nell'isolamento acustico. Naturalmente, è possibile conseguire risultati ancora migliori attraverso una vera e propria "rivisitazione" del progetto di base dal punto di vista acustico e vibrazionale, sia attraverso simulazioni di calcolo, sia per mezzo di test su prototipi sollecitati da trasduttori elettro-acustici.
Per fare un esempio, la struttura basilare riportata in Fig. 6 può essere semplicemente migliorata con pochi ritocchi, razionalizzando la sezione dei plenum di ingresso / uscita ed aggiungendo due elementi (una tubazione perforata ed un diaframma in lamiera forata a suddividere il volume del plenum di ingresso), vedi Fig. 7.
Le prestazioni conseguite, come attenuazione d'inserzione, sono apprezzabili nel grafico di Fig. 8, a confronto con quelle di un tipico silenziatore reattivo-assorbitivo per impiego in ambito residenziale. Come si può vedere, pur non essendo sovrapponibile, la curva di attenuazione del convertitore è più che soddisfacente e, in alcuni tratti (63-125 Hz e 1000-4000 Hz) sensibilmente superiore in prestazione.
In definitiva, l'ottimizzazione acustica del convertitore si può rivelare vantaggiosa sotto ogni aspetto considerato, tenendo conto delle limitate modifiche operate sul progetto originale: questi risultati possono essere indicativi del fatto che, nell'intraprendere un nuovo progetto di base di un convertitore decisamente più orientato alle prestazioni acustiche, si possano attendere per il futuro prestazioni ancora superiori.
Diamo qui per scontato che il rumore del blocco motore sia efficacemente contenuto dalla struttura che accoglie e protegge il motogeneratore, grazie all'impiego di appositi container ad alto isolamento acustico. Andiamo invece ad evidenziare i problemi legati al rumore di scarico.
IL RUMORE DI SCARICO
Il rumore di scarico emesso direttamente da un MCI, senza alcun trattamento, può essere ad esempio come nel grafico riportato in Fig. 1, relativo ad un motogeneratore Jenbacher JMS 420 GS-C05 da 1.6 MW (20 cilindri per un totale di 61,1 l di cilindrata), alimentato a gas naturale.
I picchi di emissione a determinate frequenze dipendono sostanzialmente da due fattori specifici legati alla tipologia del motore, cioè il CFR - Cylinder Firing Rate e l'EFR - Engine Firing Rate: nei motori a 4 tempi, il CFR è pari a uno scoppio ogni due rivoluzioni dell'albero motore (RPM/120) mentre l'EFR è dato dal CFR moltiplicato per il numero dei cilindri (N), EFR=N(CFR).
Quindi, allo scarico di un determinato motore avremo l'emissione di determinati toni fondamentali e delle loro corrispettive armoniche. Nel nostro esempio, la frequenza a maggiore intensità sonora (119 dBA) è quella di 63 Hz, vicina alla 5a armonica del CFR, mentre la fondamentale dell'EFR (250 Hz) si trova ad un livello pari a 115 dBA.
Inoltre, occorre considerare che ogni elemento installato in serie sul percorso di scarico (caldaia, convertitore catalitico, silenziatore, camino) può, allo stesso tempo, ridurre l'emissione sonora (IL = Insertion Loss) ma anche diffondere delle emissioni secondarie (SN = Self Noise) per risonanza delle pareti metalliche di confinamento o di tratti delle canalizzazioni.
COME ATTENUARE LA RUMOROSITÀ DI SCARICO
Il principale metodo utilizzato per attenuare la rumorosità di scarico è rappresentato dall'impiego dei silenziatori reattivi (Fig. 2), nei quali i gas sono forzati ad attraversare una serie di camere e di tubazioni di collegamento, che nell'insieme costituiscono degli elementi risonanti in opposizione di fase in un certo spettro di frequenze (generalmente la massima attenuazione si ottiene tra 125 e 250 Hz).
Anche se la porzione più "energetica" dello spettro di frequenze del rumore emesso si concentra al di sotto dei 250 Hz, le frequenze più elevate (250-8000 hz) sono anch'esse presenti a livelli molto elevati e devono essere attenuate con la massima efficacia.
A tale scopo, si impiegano dei silenziatori cosiddetti assorbitivi (Fig. 3), costituiti generalmente da corpi cilindrici rivestiti internamente da pannelli di materiali fibrosi resistenti alle alte temperature, limitati da strutture di contenimento in rete metallica.
I silenziatori assorbitivi sono efficaci oltre i 1000 Hz, quindi non devono mai essere impiegati singolarmente ma solo come complemento ad un silenziatore di tipo reattivo. Nella maggior parte dei casi, al fine di contenere gli ingombri dell'impianto installato conviene ricorrere ad un silenziatore combinato reattivo-assorbitivo.
LA SOLUZIONE: OTTIMIZZAZIONE ACUSTICA DEI CONVERTITORI SCR-DENOX
Innanzi tutto, il primo passo consiste nella precisa caratterizzazione dell'esistente, in modo da definire il comportamento acustico dei convertitori attuali: questo può consentire di identificare rapidamente i comportamenti indesiderati di maggiore entità (risonanze, vibrazioni indotte, turbolenze eccessive) e procedere agli opportuni interventi correttivi, che in genere consistono in irrigidimenti strutturali e nell'aggiunta di correttori di flusso interni in lamiera forata.
La coibentazione esterna può a sua volta essere rivista utilizzando materiali più performanti nell'isolamento acustico. Naturalmente, è possibile conseguire risultati ancora migliori attraverso una vera e propria "rivisitazione" del progetto di base dal punto di vista acustico e vibrazionale, sia attraverso simulazioni di calcolo, sia per mezzo di test su prototipi sollecitati da trasduttori elettro-acustici.
Per fare un esempio, la struttura basilare riportata in Fig. 6 può essere semplicemente migliorata con pochi ritocchi, razionalizzando la sezione dei plenum di ingresso / uscita ed aggiungendo due elementi (una tubazione perforata ed un diaframma in lamiera forata a suddividere il volume del plenum di ingresso), vedi Fig. 7.
Le prestazioni conseguite, come attenuazione d'inserzione, sono apprezzabili nel grafico di Fig. 8, a confronto con quelle di un tipico silenziatore reattivo-assorbitivo per impiego in ambito residenziale. Come si può vedere, pur non essendo sovrapponibile, la curva di attenuazione del convertitore è più che soddisfacente e, in alcuni tratti (63-125 Hz e 1000-4000 Hz) sensibilmente superiore in prestazione.
In definitiva, l'ottimizzazione acustica del convertitore si può rivelare vantaggiosa sotto ogni aspetto considerato, tenendo conto delle limitate modifiche operate sul progetto originale: questi risultati possono essere indicativi del fatto che, nell'intraprendere un nuovo progetto di base di un convertitore decisamente più orientato alle prestazioni acustiche, si possano attendere per il futuro prestazioni ancora superiori.
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Fonte: La Termotecnica ottobre 2022
Settori: Ambiente, Analisi, abbattimento e Controllo emissioni, Cambiamento climatico, Cogenerazione, Efficienza energetica industriale, GAS, Inquinamento, Rinnovabili, Termotecnica industriale
Mercati: Aria e Gas, Inquinamento
