Il presente lavoro fa parte delle attività previste nell’ambito del sottoprogetto di “Ricerca di Sistema” denominato DEMOELEC finalizzate allo studio ed alla dimostrazione della efficacia delle tecnologie elettriche per il risparmio energetico, la competitività delle imprese e la mitigazione dell’impatto ambientale delle lavorazioni industriali. In particolare questo specifico lavoro ha come scopo lo sviluppo della modellizzazione matematica e la sua implementazione in programmi di calcolo per la valutazione della distribuzione spaziale delle grandezze elettromagnetiche all’interno della vasca di fusione di forni elettrici ad elettrodi immersi per la fusione di miscele vetrificabili. Gli elettrodi considerati sono quelli di forma piana addossati alle pareti del forno e quelli di forma cilindrica infilati perpendicolarmente nella suola del forno. In particolare questa attività è stata svolta per consentire di valutare quantitativamente l’effetto della variazione di un insieme di parametri significativi per il forno elettrico quali • la resistività del materiale contenuto nella vasca; • le dimensioni della vasca di fusione; • il numero di elettrodi installato nella vasca; • il potenziale elettrico applicato a ciascun elettrodo oppure la potenza totale da installare nella vasca; • l’altezza dell’elettrodo e la sua posizione sulla parete della vasca nel caso degli elettrodi piani; • l’altezza dell’elettrodo, il suo diametro e la sua posizione dentro la vasca nel caso degli elettrodi cilindrici; sui valori delle principali grandezze elettromagnetiche che sono: • la distribuzione spaziale dei valori dei potenziali elettrici all’interno della vasca • la distribuzione spaziale dei valori del modulo e della direzione del campo elettrico all’interno della vasca; • la distribuzione spaziale dei valori del modulo e della direzione della densità di corrente all’interno della vasca; • l’andamento delle linee di densità di corrente all’interno della vasca; • l’andamento dei valori delle densità di corrente lungo le superfici dei singoli elettrodi; • la distribuzione spaziale dei valori della potenza sviluppata per unità di volume all’interno della vasca;

• la distribuzione spaziale dei valori della potenza sviluppata per unità di volume all’interno della vasca; • la potenza totale sviluppata all’interno della vasca, se l’input è costituito dai potenziali elettrici dei singoli elettrodi; • i potenziali elettrici a cui devono essere collegati i singoli elettrodi, se l’input è costituito dalla potenza totale sviluppata all’interno della vasca; • le potenze e le correnti erogate dai singoli elettrodi; • le resistenze elettriche equivalenti tra gli elettrodi; evidentemente poter calcolare in modo accurato tali grandezze consente una scelta ottimale del numero, del tipo e delle caratteristiche degli elettrodi da installare nella vasca ed un corretto dimensionamento del sistema di alimentazione elettrica a cui devono essere connessi. Poiché usualmente gli elettrodi di forma piana sono appoggiati alle pareti ed hanno una dimensione praticamente coincidente con una delle dimensioni della vasca, e perciò lungo questa dimensione non si hanno variazioni delle grandezze elettromagnetiche, è possibile per elettrodi di questo tipo ipotizzare una distribuzione spaziale delle grandezze elettromagnetiche bidimensionale, ipotesi non valida nel caso degli elettrodi cilindrici. Sono perciò stati sviluppati due programmi in linguaggio VBA (Visual Basic for Applications in ambiente EXCEL 97) nei quali è stata implementata la modellizzazione matematica, descritta in questo lavoro, del comportamento elettromagnetico di un forno per la fusione di miscele vetrificabili, essi sono : • un programma per il calcolo della distribuzione spaziale in 2 dimensioni delle grandezze elettromagnetiche all’interno di vasche in forma di parallelepipedo con elettrodi di forma piana appoggiati alle pareti; • un programma per il calcolo della distribuzione spaziale in 3 dimensioni delle grandezze elettromagnetiche all’interno di vasche in forma di parallelepipedo con elettrodi di forma cilindrica infilati perpendicolarmente dalla suola della vasca. La modellizzazione matematica è consistita quindi nella determinazione del sistema di equazioni differenziali alle derivate parziali, non risolubile analiticamente, che descrive i fenomeni in oggetto, e nella determinazione della soluzione numerica del sistema di equazioni utilizzando il metodo delle differenze finite che consente di ricondurre il sistema originale ad un sistema algebrico lineare di equazioni, costituito da tante equazioni quanti sono i punti prestabiliti nella griglia di calcolo. E’ utile osservare che i calcoli in 3 dimensioni all’interno delle vasche di fusione con elettrodi cilindrici sono stati eseguiti assumendo una griglia di calcolo composta da circa 230000 punti, questo significa che il programma di calcolo ha risolto per ogni configurazione analizzata un sistema lineare di 230000 equazioni in altrettante incognite. I programmi di calcolo ammettono come dati di ingresso tutti i parametri significativi del sistema prima elencati e forniscono come risultati del calcolo tutte le grandezze riportate in precedenza.

In questo rapporto sono riportati i risultati dei calcoli ottenuti con l’utilizzo dei programmi sviluppati su un elevato numero di configurazioni vasca – elettrodi, evidentemente oltre alle procedure di calcolo vere e proprie sono state sviluppate ed implementate in linguaggio VBA all’interno degli stessi programmi le procedure per la creazione e la formattazione automatica di tutti i tipi di grafico presentati nel documento. Nel documento è stato inserito un paragrafo nel quale vengono descritte le modalità di utilizzo combinato del programma di simulazione dei fenomeni termici precedentemente sviluppato e dei programmi per la simulazione dei fenomeni elettromagnetici, il primo consente una volta definita la struttura generale del forno e le sue esigenze produttive di calcolare la potenza minima che deve essere sviluppata all’interno della vasca, i secondi consentono di posizionare e dimensionare correttamente gli elettrodi e di scegliere correttamente il sistema di alimentazione degli elettrodi. Oggetto della seconda parte del rapporto è la descrizione del programma di prove, eseguite presso i laboratori del CESI, riguardanti l’esercizio simulato ed il monitoraggio del forno fusorio ad elettrodi immersi, già descritto nel rapporto CESI SFR-A2/021431, cui si rimanda per ogni ulteriore dettaglio tecnico. Il lavoro svolto rappresenta la prima fase dell’attività sperimentale complessiva, che si prevede debba culminare con l’installazione dello stesso forno presso un centro di smaltimento per prove estese di vetrificazione di rifiuti pericolosi. Le motivazioni per tali test, preliminari e propedeutici a quelli che seguiranno, sono state molteplici: – individuare, al fine di correggerle prima dei test in campo, possibili criticità operative legate alla configurazione geometrica ed al dimensionamento in potenza (termica ed elettrica) del forno; – maturare esperienza con l’esercizio di forni a conduzione, in vista del loro utilizzo come mezzi per l’inertizzazione di rifiuti; – acquisire i dati di funzionamento necessari per la validazione dei modelli matematici (termico ed elettrico) studiati. A tale proposito, dopo l’installazione, il forno è stato strumentato con le termosonde ed i rilevatori di grandezze elettriche (tensione, corrente, potenza) necessari per la verifica della rispondenza dei dati simulati al comportamento reale. E’ stato inoltre predisposto un Sistema di Acquisizione Dati, completo di condizionatori di segnale, quadro misure, software di archiviazione ed interfaccia con personal computer. La messa in servizio del sistema di monitoraggio ha previsto le seguenti fasi: 1. progettazione e installazione del sistema; 2. realizzazione del software di acquisizione dati, corredato di uno schema sinottico dell’impianto che permette di visualizzare in tempo reale su Personal Computer le collocazioni delle misure ed il processo di acquisizione; 3. attivazione del collegamento via modem, con postazione remota, del sistema installato nei laboratori della sede CESI a Segrate, per permettere la visualizzazione dei dati e lo scaricamento dei files memorizzati;

4. verifica in campo del corretto funzionamento del sistema d’acquisizione e del collegamento remoto; 5. acquisizione dei segnali e delle misure durante la conduzione del forno. Le prove di fusione si sono svolte utilizzando come materiale da fondere del rottame di vetro piano e per bottiglieria macinato fine, unitamente a materia prima (miscela di ossidi vetrificabili). Nel seguito sono descritti: – nel Capitolo 10 il sistema di monitoraggio, per quanto attiene i sensori, il sistema di acquisizione installato ed il software per il controllo del processo di acquisizione e memorizzazione dei dati; – nel Capitolo 11 viene sinteticamente descritto il sistema di fusione e sono altresì illustrate le sue modalità operative (accensione, spegnimento, esercizio). – il Capitolo 12 è dedicato ai test di fusione, in esso si dà conto del protocollo di prova e degli episodi salienti che hanno contraddistinto le prove stesse. – nel Capitolo 13 sono infine riportate le considerazioni conclusive in merito all’esperienza svolta; – infine nel capitolo 14 sono riportati i dati raccolti nel corso dell’esperienza.