Il fenomeno della perdita di pressione dovuta all'attrito nei condotti, dopo l'installazione di un raccordo o apertura laterale, viene determinato in modo simile a quello che avviene nel flusso attraverso il condotto principale. Tuttavia, in questo caso, si utilizza la velocità di flusso totale, ovvero quella che si verifica dopo la confluenza del flusso che entra attraverso l'apertura con il flusso di transito a valle della stessa. La lunghezza dell'area a valle dell'apertura, dove avvengono tali confluenze, è pari a 2,992 m, dalla bocca dell'apertura fino al punto di misura successivo.

Nel caso di aperture laterali non sagomate, l'analisi numerica e sperimentale delle perdite di carico (LDC) è di fondamentale importanza per comprendere come il flusso si comporta in prossimità di tali aperture. Con un modello numerico validato, sono stati eseguiti calcoli per una gamma di flussi attraverso aperture con dimensioni definite da un rapporto di altezza (h) rispetto alla larghezza (b) pari a 0,32. I risultati ottenuti, confrontati con i dati sperimentali e con altre simulazioni esistenti, mostrano una buona corrispondenza, con una differenza massima di circa il 12%. È interessante notare che, per un flusso molto elevato (rapporto G/Gₒ = 0,92), la differenza aumenta fino al 30%.

Nel contesto di questi studi, il coefficiente di drag (ζ) per il flusso che bypassa l'apertura laterale è stato calcolato numericamente, sperimentalmente e confrontato con i dati di ricerca precedenti (Maeda et al., 1960; Saito e Ikohagi, 1994), e le discrepanze tra i diversi metodi sono generalmente minime, con una differenza inferiore al 8%. Tuttavia, i dati di alcuni riferimenti, come il manuale di Idel'chik, mostrano un comportamento qualitativamente diverso, suggerendo che la relazione tra il flusso e le perdite di carico nel caso di un raccordo a T (come nel manuale di Idel'chik, 1992) possa differire da quella di un'apertura centrale. Ciò potrebbe essere dovuto alle differenti modalità di ingresso del flusso nel condotto principale.

Inoltre, la comparazione tra le curve di LDC (o perdite di carico) in relazione al rapporto di flusso G/Gₒ e le dimensioni dell'apertura (h/b) ha mostrato che le formule numeriche per l'approssimazione delle perdite di carico sono valide per una vasta gamma di condizioni di flusso. Per aperture con dimensioni h/b = 0,6, 1,0, 1,5 e 2,0, i dati numerici sono stati rappresentati adeguatamente da un polinomio di secondo grado, permettendo di determinare le perdite di carico con un margine di errore accettabile (inferiore al 5%).

Un altro elemento fondamentale per il calcolo delle perdite di carico in queste configurazioni di apertura è il calcolo delle dimensioni intermedie, per cui è stata adottata un'approssimazione tramite interpolazione lineare delle costanti A, B e C nelle equazioni di regressione (per diverse aperture h/b), ottenendo risultati abbastanza precisi per una valutazione numerica veloce.

I dati sperimentali sull’ingresso del flusso nell’apertura laterale, visualizzati tramite un dispositivo come una spirale di nicromo posta sulla parete esterna del condotto, confermano le previsioni numeriche, in particolare per i flussi che attraversano la zona di separazione in prossimità dell’apertura. L'utilizzo di un regolatore iris e l'inserimento di diaframmi supplementari a valle dell'apertura laterale ha permesso di ottenere misure precise per flussi di portata molto variabile, ottenendo una chiara visibilità delle dinamiche del flusso.

In definitiva, l’approccio numerico utilizzato in questa ricerca ha dimostrato una buona corrispondenza con le misurazioni sperimentali, indicando che i modelli proposti possono essere applicati efficacemente per il calcolo delle perdite di carico e per la progettazione ottimizzata di aperture laterali nei condotti di scarico.

Un altro aspetto importante riguarda la necessità di adattare i modelli teorici alle specifiche condizioni pratiche di ogni impianto. Le differenze nelle perdite di carico tra diverse configurazioni (come ad esempio raccordi a T o aperture laterali) non sono solo una questione di flusso e dimensioni fisiche, ma anche delle condizioni specifiche di ingresso e di deviazione del flusso. Pertanto, è fondamentale che i progettisti utilizzino software avanzati e metodi sperimentali per validare i propri calcoli in condizioni reali di funzionamento.

Come Ottimizzare la Ventilazione nelle Operazioni di Manicure per Ridurre la Concentrazione di Polvere

Nel contesto delle operazioni di manicure, le concentrazioni di polvere aerosolizzata possono superare significativamente i limiti consentiti dalle normative, come quelle stabilite dall'Occupational Safety and Health Administration (OSHA) negli Stati Uniti, che fissano un limite massimo di 15 mg/m³, e dalle raccomandazioni dell'American Conference of Governmental and Industrial Hygienists (ACGIH), che lo stabiliscono a 10 mg/m³. Le analisi delle dimensioni delle particelle di polvere hanno rivelato che le particelle più piccole di 10 μm costituiscono meno del 5% della polvere rilasciata durante i trattamenti manuali. Al contrario, una porzione significativa delle particelle di polvere è superiore a 100 μm, dovuta all'uso di lime con particelle abrasive grossolane. Durante i trattamenti meccanizzati, invece, si osservano particelle di polvere molto più fini, con una concentrazione di particelle più piccole di 10 μm che non supera mai lo 0,5%.

Tuttavia, le concentrazioni di particelle PM10 e PM2.5 nelle zone di respirazione durante le operazioni di manicure superano ampiamente i limiti stabiliti dalle normative in Russia, negli Stati Uniti e nell'Unione Europea. Ciò rende necessario adottare sistemi di ventilazione locale nei locali di lavoro, in grado di catturare quanta più polvere possibile vicino alla fonte di emissione. Tuttavia, l'installazione di questi sistemi comporta costi energetici e finanziari considerevoli, rendendo imprescindibile l'ottimizzazione dell'efficienza energetica nella progettazione dei dispositivi di estrazione.

In uno studio sul modello di cattura delle particelle di polvere, è stato esaminato il comportamento di un getto di aria carica di polvere emesso durante la limatura delle unghie con una fresa rotante. È stato dimostrato che una cappa di estrazione laterale risulta decisamente più efficace di una verticale, a condizione che il getto di polvere sia diretto verso la cappa. Inoltre, una cappa laterale è più comoda per l'operatore, in quanto non ostacola la vista e non interferisce con le azioni necessarie durante il trattamento. Le traiettorie estreme delle particelle di polvere sono state tracciate, tenendo conto delle velocità terminali (da 0,01 a 4 m/s) e degli angoli di inclinazione rispetto all'orizzonte (da 0° a 359°), per determinare la distanza massima da cui una particella di polvere può ancora essere catturata dalla cappa.

Le simulazioni hanno rivelato che l'efficienza della cappa di estrazione aumenta con l'aumento dell'altezza (h) rispetto al tavolo di lavoro, ovvero più la cappa è posizionata vicino alla fonte di emissione della polvere, maggiore è la probabilità di catturare le particelle. Le traiettorie delle particelle di polvere sono state analizzate a diverse velocità di aspirazione (da 1 a 10 m/s), e si è osservato che, al crescere della velocità di aspirazione, le traiettorie delle particelle si spostano più lontano dalla cappa, migliorando l'efficacia dell'estrazione. In particolare, per le operazioni manuali di manicure, dove la velocità di fuga delle particelle di polvere è praticamente nulla, è fondamentale che la cappa di estrazione sia posizionata il più vicino possibile alla fonte di polvere.

I risultati delle simulazioni mostrano che, per particelle con velocità terminale inferiore a 0,05 m/s, la distanza di cattura (h/R) si stabilizza quando la lunghezza della cappa raggiunge un valore di 4 volte il raggio (d/R = 4). Tuttavia, per le condizioni di un salone di bellezza, distanze così grandi sarebbero poco pratiche, e pertanto è consigliabile utilizzare flange di cappa con dimensioni comprese tra d/R = 2 e 4, corrispondenti a distanze di cattura tra h/R = 2 e 4.

La velocità iniziale delle particelle di polvere, che può variare durante il trattamento meccanico (fino a 10 m/s), ha un effetto minimo sulla distanza di cattura per le particelle più fini con velocità terminale non superiore a 0,01 m/s. Al contrario, per particelle con velocità terminale maggiore, l'influenza della velocità iniziale diventa più rilevante, con traiettorie delle particelle che si spostano maggiormente in funzione dell'angolo di inclinazione (α) rispetto alla cappa. In particolare, angoli compresi tra 130° e 180° risultano essere favorevoli per una maggiore cattura delle particelle di polvere.

Il comportamento delle particelle più grandi con velocità terminale compresa tra 0,125 e 0,175 m/s si è rivelato interessante, poiché la distanza di cattura sembrava ridursi in modo non lineare con l'aumentare della velocità terminale, un risultato inaspettato ma comprensibile. Questo fenomeno può essere attribuito all'effetto della velocità iniziale delle particelle, che determina una certa inerzia e influenza la loro traiettoria.

La progettazione efficace di un sistema di ventilazione per catturare le polveri prodotte durante la manicure non si limita alla sola scelta della cappa di estrazione. È altrettanto importante considerare la disposizione del sistema di ventilazione in modo che minimizzi la dispersione di polveri nell'ambiente, migliorando al contempo l'efficienza energetica. Inoltre, è fondamentale non solo rispettare le normative sui limiti di esposizione, ma anche ottimizzare la salute e la sicurezza dei lavoratori, riducendo al minimo l'esposizione a polveri nocive nel lungo periodo.

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