Metodi per l'ottimizzazione di cappe da laboratorio : simulazione CFD e apparato sperimentale in similitudine

The purpose of the thesis was to develop an innovative experimental apparatus for the study of the motion field and the performance of the fume hoods commonly used in chemical laboratories. From the bibliographic research it was possible to highlight how a careful fluid-dynamic design of the various components of the fume hood determines an improvement in performance and a reduction in energy consumption. The novelty of the present study consists in the realization of a test apparatus, composed of a test environment and a model of a fume hood in scale 1:10, powered by a hydraulic circuit. Based on the Theory of Similitude and using water as the working fluid instead of air, the fluid dynamic phenomena that characterize the real prototype have been reproduced with the additional advantage given by the contained dimensions and by the reduction of the speeds involved due to the ratio kinematic scale. Through the test apparatus it was possible to carry out qualitative surveys on the motion field inside the fume hood, in particular by displaying the typical swirling structures of motion inside a fume hood, as shown in the scientific literature, using a direct injection method which involves the use of a tracer and a laser source. The test apparatus was also used to experimentally estimate the pressure loss of the fume hood and compare it with the pressure drop measured during performance tests according to standard EN 14175-3. In addition to the experimental study, a CFD (Coputational Fluid Dynamics) study was conducted with the aim of verifying what emerged from the qualitative visualization of the motion field and obtaining quantitative measurements of the main physical quantities that characterize the motion of the fluid inside the fume hood. The joint use of the experimental apparatus and of the CFD study has the objective of leading towards an optimization of the analyzed fume hood, thus increasing the performances in terms of containment of the contaminants and reducing the energy consumption for the intake air handling.

Lo scopo della tesi è stato quello di mettere a punto un apparato sperimentale innovativo per lo studio del campo di moto e delle prestazioni delle cappe aspiranti comunemente utilizzate nei laboratori chimici. Dalla ricerca bibliografica si è potuto evidenziare come un attento design fluidodinamico dei vari componenti della cappa determina un miglioramento delle prestazioni e una riduzione dei consumi energetici. La novità del presente studio è costituita dalla realizzazione di un apparato di prova, composto da un’ambiente di test e da un modello di una cappa da laboratorio in scala 1:10, alimentato da un circuito idraulico. Basandosi sulla Teoria della Similitudine e utilizzando come fluido di lavoro l’acqua al posto dell’aria si sono riprodotti i fenomeni fluidodinamici che caratterizzano il prototipo reale con in più il vantaggio dato dalle dimensioni contenute e dalla riduzione delle velocità in gioco dovuta al rapporto di scala cinematico. Attraverso l’apparato di test è stato possibile effettuare delle indagini qualitative sul campo di moto all’interno della cappa, in particolare andando a visualizzare le strutture vorticose tipiche del moto all’interno di una cappa, come evidenziato nella letteratura scientifica, tramite un metodo a iniezione diretta che prevede l’uso di un tracciante e di una sorgente laser. L’apparato di test è stato anche utilizzato per stimare sperimentalmente la perdita di carico della cappa e confrontarla con la perdita di carico misurata durante i test prestazionali secondo la norma EN 14175-3. In aggiunta allo studio sperimentale, è stato condotto uno studio CFD (Coputational Fluid Dynamics) con l’obiettivo di verificare quanto emerso dalla visualizzazione qualitativa del campo di moto ed ottenere misure quantitative delle principali grandezze fisiche che caratterizzano il moto del fluido all’interno della cappa chimica. L’utilizzo congiunto dell’apparato sperimentale e dello studio CFD ha l’obiettivo di portare verso un’ottimizzazione della cappa da laboratorio analizzata, aumentando quindi le prestazioni in termini di contenimento dei contaminanti e riducendo il consumo energetico per la movimentazione dell’aria aspirata.