Cenni su moti stratificati e processi di mescolamento nei laghi (bozza)

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Cenni su moti stratificati e processi di
mescolamento nei laghi(bozza)
Marco Toffolon Facoltà di Ingegneria - Università
di Trento

• Idraulica ambientale
• a.a. 2010/11

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Riferimenti bibliografici
Socolofsky Jirka, Special Topics in Mixing and
Transport Processes in the Environment, 2005
(cap. 8, 9 e 10)
J.S. Turner, Buoyancy effects in fluids,
Cambridge University Press, 1973
V. Tonolli, Introduzione allo studio della
limnologia (Ecologia e biologia delle acque
dolci), Istituto Italiano di Idrobiologia,
Verbania Pallanza, 1964 (versione elettronica
CNR, 2001).
J.L. Martin, S.C. McCutcheon, Hydrodynamics and
transport for water quality modeling, CRC Press,
1999 part III Lakes and Reservoirs
A. Lerman, D.M. Imboden, J.R. Gat (eds.), Physics
and Chemistry of Lakes, Springer-Verlag,
1995. cap. 4 D.M. Imboden, A. Wuest, Mixing
Mechanisms in Lakes
Alfred Wüest and Andreas Lorke, Small-Scale
Hydrodynamics in Lakes, Annu. Rev. Fluid Mech.,
35, pp. 373412, 2003
3
Stratificazione

• Cause
• temperatura,
• fasi disciolte,
• solidi sospesi
• Importanza gravità (es. Apollo13)

Densità
103 kg/m3 (acqua)
1.2 kg/m3 (aria)
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Variazioni di densità

• Acqua di mare
• anomalia s r - 1000 kg/m3

equazione di stato UNESCO (STP)
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Stabilità
equilibrio stabile
equilibrio indifferente
equilibrio instabile
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Stabilità
frequenza di galleggiamento N s-1 (interpretazio
ne fisica molla)
(frequenza di Brunt-Väisälä)
equilibrio stabile
risultato moto oscillante attorno alla posizione
di equilibrio
periodo di oscillazione
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Numeri adimensionali

• Richardson
• di gradiente
• bulk
• di flusso

(turbolenza) rapporto tra il tasso di rimozione
dellenergia per le forze di galleggiamento e la
produzione dovuta alle tensioni
Froude densimetrico
Prandtl
Reynolds
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Esempi
profili di densità in laghi, estuari
Lago di Levico, stratificazione estiva
9
Stratificazione e diffusione turbolenta
Effetto della stratificazione (numero di
Richardson)
(definizione mediata)
Coefficienti
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Esercizi
Mescolamento verticale mezzo stratificato
(cuneo salino) scarico caldo
Temperatura come tracciante passivo (mix
trasversale) scarico caldo
Rif. bibl. M. Toffolon, G. Vignoli, Esercizi e
appendici per il corso di idraulica ambientale,
Dispense del corso (IV. Esercizi V. Appendici),
Università di Trento, a.a. 2005/06.
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I laghi

• origine
• stratificazione
• mixing
• onde interne

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stratificazione prevalentemente termica (acqua
dolce)
acqua ferma ? moto laminare ? diffusione
molecolare
mixing quasi nullo sulla verticale
gradienti di velocità ? moto turbolento ?
diffusione turbolenta
grande incremento mixing verticale
stratificazione termica ? riduzione degli scambi
turbolenti verticali
lunghi tempi di residenza (se i tempi sono brevi
non cè tempo per lo sviluppo della
stratificazione
morfologia (topografia) depressioni profonde che
limitano lo scambio tra acque superficiali e
profonde
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Origine
tettonica
vulcanica
glaciale
fluviale
costiera
sbarramento
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Bilancio energetico
energia potenziale
energia cinetica
energia termica
energia meccanica
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Flusso di energia termica
Hn flusso netto di energia termica Hsw flusso
di radiazione solare diretta (onda corta) HH
flusso di radiazione diffusa (onda lunga) HB
flusso di radiazione riflessa HL flusso perso
per evaporazione Hs flusso di calore sensibile
(conduzione, convezione)
? misure (radiometro)
? legge di Stefan-Boltzmann (nuvole, atmosfera)
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Profilo termico
penetrazione della radiazione ad onda corta
(legge di Beer)
coefficiente di estinzione
T
T
superficie
superficie
effetto della radiazione solare
radiazione solare azione del vento
fondo
fondo
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Un esempio il lago di Levico
Bacino Brenta
Altitudine m s.l.m. 440
Superficie bacino imbrifero km2 27
Superficie del lago km2 1.13
Volume m3 13.4106
Profondità massima m 38
Profondità media m 11.1
Classificazione termica del lago Dimittico
Elemento limitante Fosforo
Stato trofico Mesotrofico
Pergine
Levico
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Stratificazione e diffusione turbolenta
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Stratificazione estiva
stratificato
non stratificato
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Ciclo stagionale di stratificazione
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Onde di sessa (seiche)
sessa uninodale
sessa binodale
periodo delle onde di sessa?
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Onde di sessa (seiche)
vento ? eccita unonda stazionaria con n1
wind set-up sollevamento
equilibrio mentre soffia il vento
spinte idrostatiche
set-up superficie
equilibrio tra le pressioni al fondo
set-up interfaccia
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Periodo delle onde di sessa
numero dei nodi (modo)
periodo breve, piccola ampiezza, decadono
rapidamente
onde superficiali
periodo lungo, grande ampiezza, persistono a lungo
onde interne
gravità efficace ltltg
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Circolazioni
barotropiche (trascurando le variazioni di
densità) circolazioni complessive barocliniche
(considerando variazioni di densità) onde
interne (tempi grandi)
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Onde interne
onde di superfici isopicne (densità
costante) stratificazione continua onde
interne stratificazione a gradino (strati)
onde di interfaccia, onde di superficie
Rif. bibl. dispense di Socolofsky Jirka,
Special Topics in Mixing and Transport Processes
in the Environment, 2005 (cap. 10)
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Onde di interfaccia

• ipotesi
• fluidi immiscibili
• contorni superiori e inferiori rigidi
• moto piano
• moto inviscido (viscosità nulla, Re grande)
• moto irrotazionale in ogni strato
• onde di piccola ampiezza

contorno rigido superiore
interfaccia
contorno rigido inferiore
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Instabilità di Kelvin-Helmholtz
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Processi nei laghi
processi superficiali
processi interni
processi al fondo (Benthic Boundary Layer, BBL)
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Processi superficiali
WASL Wave Affected Surface Layer
SBL Surface Boundary Layer
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Azione del vento
tensione originata dal vento
CD0.0013 coefficiente di drag
Destratificazione
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Processi al fondo
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Processi interni (stratificazione)
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Meccanismi di trasporto e mixing
vento, boundary mixing (contorni), afflussi e
deflussi, radiazione, reazioni chimiche (possono
modificare la densità)
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Turbolenza
Turbulent Kinetic Energy J kg-1
decomposizione di Reynolds
fluttuazioni turbolente
moto medio
dissipazione energetica e W kg-1
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Bilancio dellenergia turbolenta
tasso di dissipazione dovuto allattrito interno
(viscoso)
produzione dovuta alle tensioni di Reynolds
flusso di galleggiamento
contributo negativo perché nel caso di
stratificazione stabile la turbolenza trasporta
particelle più pesanti verso lalto e più leggere
verso il basso e quindi consuma TKE
Numeri adimensionali
numero di Richardson di flusso
efficienza di mescolamento
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Lunghezze scala
Lunghezze scala Definizione Range tipico m Significato
vortici 1 - 103 E la lunghezza scala alla quale lenergia entra nel sistema (ad es. la lunghezza scala di oscillazione delle sesse o la profondità dello strato di mescolamento superficiale).
Ozmidov 10-2 - 1 Deriva dal bilancio tra le forze di galleggiamento e le forze inerziali. Rappresenta la misura dei vortici più grandi (vortici di dimensioni maggiori sono soppressi dalla forza di galleggiamento).
Thorpe (centrata) E la dimensione verticale statistica dei microvortici turbolenti (spostamento verticale delle particelle dacqua dalla loro posizione di equilibrio).
Kolmogorov 10-3-10-2 Deriva dal bilancio tra le forze viscose e le forze inerziali. E lestremo inferiore dello spettro della TKE per scale più piccole la TKE viene dissipata dalla viscosità (scompaiono le fluttuazioni di velocità).
Batchelor 10-3-10-4 E lestremo inferiore dello spettro delle quantità scalari come la temperatura e la salinità Per dimensioni più piccole le fluttuazioni dello scalare sono dissipate dalla diffusione molecolare D.
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La lunghezza scala di Thorpe
prof. reale
prof. riordinato
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Diffusione turbolenta (verticale)
diapycnal mixing attraverso superfici di uguale
densità (stratificazione)
coefficiente di diffusione turbolenta
stratificazione
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Strumenti
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Piattaforme galleggianti
Piattaforma galleggiante posizionata sul Lago di
Caldonazzo.
Al fine di ottenere una migliore
caratterizzazione del lago in esame, risulta
vincente utilizzare una piattaforma galleggiante
anche di piccole dimensioni da cui vengono
avviate diverse analisi. Sulla piattaforma,
normalmente posizionata nella zona centrale del
lago, viene installata anche la stazione meteo
che in questo modo può rilevare in condizioni
ideali, in assenza di ostacoli esterni, la
situazione meteorologica sullo specchio d'acqua.
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Stazione meteorologica
Due stazioni meteorologiche modello Vantage Pro
della BITLINE. Le stazioni sono alimentate da
batterie al piombo da 12V alimentate da pannelli
solari ed i dati possono essere scaricati via
GSM.
Le stazioni consentono la misurazione in continuo
dei seguenti parametri Temperatura dell'aria
C Velocità del vento m/s Direzione del
vento Umidità relativa percentuale
Pioggia mm e mm/h Pressione Atmosferica
mbar Radiazione globale W/m2
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Anemometro DNA022 LASTEM
Radiometro netto per il calcolo della radiazione
riflessa dalla superficie sottostante. Lo
strumento è accoppiato ad un datalogger
alimentato da una batteria al piombo da 12V, ha
un'autonomia pari a 15-30gg a seconda
dell'intervallo di acquisizione consentendo
perciò di monitorare in continuo la radiazione
netta ovvero la differenza tra la radiazione
diretta e quella riflessa dal suolo sottostante.
Radiometro Netto
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Sonde di temperatura
modello HANDYLOG DK500
Le sonde termiche sono dotate di un datalogger
interno con memoria fino a 64000 acquisizioni. La
batteria interna a 3.6 Volt fornisce
lalimentazione al sistema e i dati vengono
scaricati tramite uninterfaccia ad infrarossi.
La precisione sulla misura di temperatura, dopo
unaccurata calibrazione, può essere inferiore al
decimo di grado centigrado.
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ADV (Acoustic Doppler Velocimeter)
ADV Ocean-5 MHz
2 microADV-16 MHz (2D e 3D)
Lalta frequenza di 16 MHz dei micro ADV li rende
degli ottimi strumenti per la misura di velocità
ad alta precisione in laboratorio. La frequenza
di campionamento massima è di 50Hz e il volume di
misura è minore 0.1 cm3. LADV Ocean ha un
volume di misura fisso posto a 18 cm dal
trasmettitore che permette di misurare con alta
precisione correnti 3D indisturbate. Lo strumento
è dotato di bussola, sensore di pressione e
temperatura.
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ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler)
Profilatore di velocità ad ultrasuoni 600 kHz
modello Rio Grande
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Lo strumento serve per le misure di velocità
delle correnti e può essere usato sia da
postazione fissa che da natante in movimento. Le
acquisizioni possono essere fatte in tempo reale
oppure possono essere memorizzate internamente
allo strumento. Le applicazioni principali
sono - misura delle portate sui corsi dacqua -
misura delle correnti nei laghi - misura di
velocità su una colonna dacqua - batimetrie di
laghi - sezioni trasversali di corsi dacqua
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Esempi di acquisizione con il Profilatore di
velocità ad ultrasuoni 600 kHz modello Rio Grande.
In basso una circolazione indotta dal vento nel
Lago di Caldonazzo.
Misura della portata sul Fiume Po.
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Sonda di Qualità Idronaut
Un maggior dettaglio nella caratterizzazione
della colonna dacqua si ottiene dalluso di un
sistema automatico di monitoraggio in situ,
capace di acquisire dati con unelevata frequenza
e fornirli in tempo reale. Il sistema di
monitoraggio è costituito da una boa dotata di
verricello automatico (BUOY 601 PROFILER) a cui è
collegata una sonda multiparametrica (OCEAN SEVEN
316 CTD-IDRONAUT). Il sistema, adeguatamente
programmato, consente di ottenere i profili
giornalieri dei principali parametri utilizzati
per stabilire la qualità delle acque. La sonda in
dotazione è equipaggiata con - sensore di
temperatura - sensore di conducibilità
elettrica - sensore di ossigeno - sensore di
pH - elettrodo per il potenziale di
ossido-riduzione. La sonda fornisce, inoltre, i
profili della concentrazione di clorofilla e di
torbidità per laggiunta al sistema di -
fluorimetro (SEAPOINT CHLOROPHYLL FLUOROMETER) -
torbidimetro (SEAPOINT TURBIDITY METER).
Boa con il verricello
Sonda multiparametrica
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Altri prelievi e misure
Prelievo di un campione dacqua ad una profondità
assegnata.
Prova di misura con ossimetro
Prelievi con retino per la cattura di fitoplancton
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SCAMP (Self Contained Autonomous Micro Profiler)
51
(No Transcript)
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Flow logger
FlowLogger 4150 (ISCO). Lo strumento sfrutta gli
ultrasuoni per misurare la velocità media del
corso d'acqua sopra il sensore. Lo strumento è in
grado di acquisire e memorizzare dati relativi al
tirante ed alla velocità media inoltre, impostate
le dimensioni della sezione, è in grado di
calcolare automaticamente il valore della
portata. Il datalogger è alimentato da batteria
al piombo (senza manutenzione) da 12V,
l'autonomia è di circa 1.5 mesi. La capacità di
memoria è pari a XXX e consente di acquisire per
esempio ad intervalli di 10min. per circa 5-6
mesi.
Difficoltà di misurazione con velocità basse
inferiori a circa 2cm/s e con acqua troppo
limpida o in generale con pochi solidi o
materiale sospeso.
Download dati da misuratore ad ultrasuoni
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Ecoscandaglio
Strumento ad ultrasuoni utilizzato da barca per
la lettura puntuale della profondità dello
specchio d'acqua. Lo strumento è in grado di
leggere profondità fino a 200m, di segnalare la
velocità dell'imbarcazione, la temperatura
dell'acqua ed eventuali corpi solidi immersi.
Inoltre, può essere accoppiato a GPS o collegato
ad un PC per la lettura dei dati in
continuo. Caratteristiche tecniche Display
160x160 pixels Potenza RMS 400 watt Potenza di
picco 3200 watt Frequenza 200 Khz Profondità
massima 200 metri Dimensioni mm 125x160x76
GPS Utilizzato per la misurazione satellitare
della georeferenzazione di un punto, può essere
accoppiato con altra strumentazione come ADV,
ADCP, ecoscandaglio... o collegato direttamente a
PC per la lettura in continuo. Assieme al GPS da
Campo il CUDAM è in possesso di un GPS
Palmare. Caratteristiche GPS Palmare antenna
GPS a 12 canali paralleli a doppia acquisizione
(24 satelliti) precisione orizzontale di
precisione tipica 3 metri di RMS (2D) precisione
della velocità 0,1 nodi senza codice
S.A. accelerazione 6G aggiornamento dati ogni
secondi tempo di acquisizione dei satelliti a
caldo 12 secondi, a freddo 12-40 secondi ingresso
e uscita dati RS232, NMEA 183 alimentazione con 4
pile AA o con alimentazione esterna (12volt
opzionale), durata pile da 36 a 100 ore peso 240
grammi con batteria strumento resistente
allacqua IPX6
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Analisi sedimentologica
Suddivisione del campione
Carotatore
Schema canaletta di laboratorio
Microscopi
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Carotatore
Lo strumento viene utilizzato per la raccolta di
carote di sedimenti provenienti dal fondo del
lago. Il carotatore è zavorrato con dei pesi in
piombo in modo da consentirgli una discesa a
velocità sostenuta e per facilitare la
penetrazione dello stesso all'interno del
materiale limoso. La carota che resta
intrappolata grazie ad una saracinesca che si
chiude automaticamente al momento del recupero,
ha un diametro di 100mm ed una lunghezza
variabile dai 15 ai 35cm. Il carotatore viene
manovrato tramite una fune consentendo di fare
prelievi anche a notevoli profondità finora sono
state prelevate carote fino ad una profondità
massima di 48m.
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Misura del consumo di ossigeno in laboratorio
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Ossigenazione
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Ciclo dei nutrienti in un lago
problema!
carichi esterni (uso del territorio, attività
antropiche)
apporto di nutrienti fosforo, (azoto)
fioritura alghe
carichi interni (rilasci dai sedimenti in
condizioni di anossia al fondo)
destratificazione e ricircolazione del lago
(autunno, forte vento, temporali estivi)
materiale organico in decomposizione che deposita
sul fondo
materiale organico in decomposizione in colonna
dacqua che deposita sul fondo
ricircolazione dei nutrienti sulla colonna dacqua
stratificazione termica estiva
flussi ridotti di ossigeno dalla superficie del
lago
rilascio di nutrienti dai sedimenti
richiesta di ossigeno dai sedimenti (consumo) e
nella colonna dacqua
condizioni anossiche (carenza di ossigeno) al
fondo
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Come intervenire?
problema!
carichi esterni (uso del territorio, attività
antropiche)
apporto di nutrienti fosforo, (azoto)
fioritura alghe
carichi interni (rilasci dai sedimenti in
condizioni di anossia al fondo)
destratificazione e ricircolazione del lago
(autunno, forte vento, temporali estivi)
materiale organico in decomposizione che deposita
sul fondo
materiale organico in decomposizione in colonna
dacqua che deposita sul fondo
ricircolazione dei nutrienti sulla colonna dacqua
stratificazione termica estiva
flussi ridotti di ossigeno dalla superficie del
lago
rilascio di nutrienti dai sedimenti
ossigenatore
richiesta di ossigeno dai sedimenti (consumo) e
nella colonna dacqua
condizioni anossiche (carenza di ossigeno) al
fondo
60
Alternative
problema!
carichi esterni (uso del territorio, attività
antropiche)
apporto di nutrienti fosforo, (azoto)
fioritura alghe
carichi interni (rilasci dai sedimenti in
condizioni di anossia al fondo)
destratificazione e ricircolazione del lago
(autunno, forte vento, temporali estivi)
materiale organico in decomposizione in colonna
dacqua che deposita sul fondo
ricircolazione dei nutrienti sulla colonna dacqua
stratificazione termica estiva
flussi ridotti di ossigeno dalla superficie del
lago
rilascio di nutrienti dai sedimenti
ossigenatore
richiesta di ossigeno dai sedimenti (consumo) e
nella colonna dacqua
condizioni anossiche (carenza di ossigeno) al
fondo
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Stato trofico (fosforo)
diagramma di Vollenweider
eutrofia
stato del lago
carico esterno areale (P)
contributo antropico, uso del territorio
carico naturale del territorio ? oligotrofia
tempo di ricambio
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Ossigenatore ipolimnico Limno
Lago di Caldonazzo
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Anello di ossigenazione
Metodo Side Stream Pumping System
presa
24 getti lungo lanello
aggiunta di ossigeno puro
cilindro di mescolamento
ugello
getto