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  DISPENSE TECNICHE
 
  VENTILATORI
 
  ACCOPPIAMENTO DI VENTILATORI
 
 
       
 
  1. Accoppiamento in serie
  2. Accoppiamento in parallelo
  3. Accoppiamento misto
 
 
Nei grandi impianti di ventilazione, quando è necessario avere a disposizione dei flussi o delle pressioni con variazioni notevoli, può essere conveniente accoppiare ventilatori in modo che, lavorando assieme o separatamente, forniscano la prestazione richiesta in ogni momento. Se le variazioni necessarie sono discrete, può esser sufficiente un solo ventilatore con un sistema di regolazione, ma quando servono delle prestazioni doppie o triple o più rispetto a quella semplice, bisogna ricorrere a un sistema di accoppiamento.

Desideriamo mostrare indicativamente come variano le prestazioni del sistema a seconda dell'accoppiamento. I ventilatori possono essere installati in Serie, in Parallelo oppure in modo Misto.
 
 
 
  1. Accoppiamento in serie
 
 
 
Questo sistema consiste nel collegare i ventilatori uno dopo l'altro, Fig. 1. Oppure all'interno di uno stesso canale in cui si mantiene la stessa direzione del flusso dell'aria, Fig. 2.

Fig. 1. Ventilatori assiali accoppiati in serie
Fig. 2. Ventilatori centrifughi accoppiati in serie

In generale, e soprattutto quando si tratta di ventilatori centrifughi per cui lo scarico di uno viene portato all'entrata dell'altro, la curva caratteristica della pressione risultante dall'accoppiamento è circa il doppio, come quella indicata nel grafico della Fig. 3.

Fig. 3. Curva caratteristica risultante di ventilatori accoppiati in serie

Supponendo che i ventilatori siano uguali e che le curve rappresentative delle loro pressioni statica e totale siano quelle della Fig. 4, la pressione risultante per l'insieme si ottiene sommando le ordinate della pressione statica del primo ventilatore a quelle della pressione totale del secondo: PE = Pe + Pt. In ogni momento il flusso dell'insieme sarà quello fornito da un solo ventilatore, corrispondente alla pressione dinamica Pd = Pt - Pe con pressione statica PE.

Fig. 4. Formazione della caratteristica di ventilatori in serie

Nel punto M, vale a dire quello in cui i ventilatori, se lavorassero da soli, fornirebbero individualmente il flusso massimo, nello scarico libero con pressione statica zero, P = O, risulta che l'insieme costituito dai due ventilatori in serie è ancora in grado di ottenere una pressione statica di ordinata MN e può raggiungere il flusso dell'ascissa R, quando PE = O. Tale eccesso di flusso MR, che in queste condizioni potrebbe arrivare ai ventilatori, può pregiudicare la sicurezza dei motori a causa del sovraccarico che lo caratterizza.

Nel caso di caratteristiche differenti, la risultante si ottiene in modo simile a prima, dove Pe corrispondente alla pressione statica del primo ventilatore e Pt alla pressione totale del secondo, PE è la somma di entrambe le pressioni e corrisponde alla pressione statica dell'insieme.

Sia in un caso che nell'altro bisogna fare attenzione che il punto di lavoro dell'accoppiamento sia al di sotto del punto N della caratteristica, come l'A del sistema 1, Fig. 4, nel caso di un sistema come il 2 con un punto di pressione e flusso inferiori a quelli che si otterrebbero con il ventilatore V2 che lavora da solo.

Molto più difficile è determinare a priori la caratteristica risultante quando i ventilatori accoppiati sono di tipo assiale e le giranti sono fisicamente vicine, come nel caso in cui vengono montate nella stessa cassa, Fig. 1. Solo con test di laboratorio si possono ottenere le relative curve.

Allo scarico di un ventilatore assiale l'aria ha un movimento elicoidale e si perde parte dell'energia di partenza. Se colleghiamo due ventilatori in serie con lo stesso senso di rotazione gli effetti del movimento elicoidale di uno verranno aumentati dalla rotazione dell'altro e si otterrà un aumento di pressione insignificante con un costo doppio, Fig. 5.

Fig. 5. L'aria allo scarico di un ventilatore assiale ha un senso di rotazione

Una direttrice fissa allo scarico del primo ventilatore prima del secondo elimina il flusso di rotazione e fa sì che il risultato si avvicini a quello teorico

Un sistema efficace prevede che il secondo ventilatore ruoti in senso opposto rispetto al primo. La disposizione si chiama "controrotazione" e consente di ottenere pressioni fino a tre volte superiori a quelle di un solo ventilatore. Con questo sistema non sono necessarie direttrici e il secondo ventilatore riceve l'aria in senso opposto rispetto alla rotazione, per cui aumenta la velocità relativa di rotazione e causa un notevole incremento di pressione, Fig. 6.

Fig. 6. Caratteristiche a confronto

Tuttavia il disegno della seconda girante deve essere speciale sia per quanto riguarda l'inclinazione che il numero delle pale, che la dimensione del motore di azionamento. Due ventilatori di serie, uguali, non si possono accoppiare direttamente in controrotazione.
 
 
 
 
  2. Accoppiamento in parallelo
 
 
 
Due o più ventilatori si accoppiano in parallelo quando aspirano dallo stesso luogo e scaricano nello stesso senso nella canalizzazione, unendo lì i loro flussi. La curva caratteristica risultante da quelle dei dispositivi accoppiati si trova sommando i flussi corrispondenti a ogni pressione, vale a dire per ogni ordinata (pressione) l'ascissa del flusso risultante q si ottiene dalla somma delle ascisse dei flussi dei ventilatori accoppiati q 1 + q 2 come viene indicato nel grafico della Fig. 7.

Fig. 7. Curva caratteristica risultante da due ventilatori disuguali in parallelo

Il flusso ottenuto con due ventilatori in parallelo non è mai la somma di ciò che si otterrà con ciascuno dei ventilatori che lavora da solo, dal momento che la caratteristica del sistema non sarà una linea orizzontale, ma piuttosto una curva di secondo grado, come la 1 della stessa figura a cui corrisponde un flusso 0-3 chiaramente inferiore rispetto allo 0-1 più lo 0-2.

È molto importante studiare la forma della curva caratteristica risultante in base al punto di lavoro del sistema accoppiato, poiché si può presentare un regime completamente instabile con un'oscillazione del flusso. Questo è il caso rappresentato dalla Fig. 8 dove la curva C rappresenta la caratteristica di un ventilatore del tipo a pale avanti con girante centrifuga e la curva R la risultante di due ventilatori in parallelo di questa caratteristica, e che si ottiene sommando le ascisse nel modo sopra indicato, ovvero, per una ascissa di ordinata OM, ad esempio, il punto risultante dei due MA è AA, dei due MB è il BB e dei due MC il CC. È anche vero, però, che si può sommare un ramo discendente da un altro cono dei punti come i BA somma del MB+MA, il CA somma di MC+MA e il CB Somma di MC+MB. Unendo i punti BA, CA, CB otterremo un tratto di curva caratteristica, come quella indicata con un tratto più grosso, che rappresenta anche un'espressione possibile della risultante.

Fig. 8. Caratteristiche di due ventilatori uguali in parallelo

La caratteristica del sistema, S, taglierà la risultante in tre punti 1, 2 e 3 con flussi q 1, q 2 e q 3 diversi, e darà origine a un punto di lavoro instabile che oscillerà tra questi tre valori passando dall'uno all'altro pompando il fluido e consumando inutilmente una notevole porzione di energia. In questo accoppiamento sarà accettabile solo un punto di lavoro chiaramente lontano dalla zona di instabilità descritta.

La questione è ancora più delicata quando i due ventilatori accoppiati in parallelo hanno una caratteristica notevolmente diversa, sia in termini di forma che di magnitudine, come le C1 e C2 della Fig. 9. La risultante R del tratto da A a Q si ottiene sommando i flussi di entrambe per una stessa pressione, uguale come sempre, poiché è l'unico tratto per punti di lavoro accettabile, come il M, affinché il flusso sia superiore a quello ottenuto con un solo dispositivo che lavora con il sistema 2. In realtà, se consideriamo il sistema 1 e lavoriamo solo con il ventilatore C2 avremo nel punto di lavoro Q2 con la pressione O-p e il flusso p-Q2. Se ora accoppiamo il ventilatore C1, la cui pressione massima che può produrre O-p1, è nettamente inferiore alla O-p che fornisce il ventilatore C2 si stabilirà una corrente di fluido in senso opposto a quella di mandata del ventilatore C, e bisognerà sottrarre al flusso p-Q2 questo p-Q1, per ottenere il punto di lavoro QR che risulterà con i due dispositivi in funzionamento, con un flusso P-QR inferiore al p-Q2 del ventilatore C2 che lavora da solo. Il tratto di curva caratteristica p1 -B del ventilatore C1 rappresenta i flussi negativi o di controcorrente di questo ventilatore in base alle pressioni superiori alla sua massima possibile propria. Il tratto di curva risultante di A a B si ottiene sottraendo le ascisse dalla curva C1, tratto p1 -B, da quelle del tratto AP0 della C2.

Fig. 9. Formazione della caratteristica di ventilatori disuguali in parallelo

Risulta quindi evidente quanto sia nocivo un accoppiamento in parallelo quando la caratteristica del sistema con cui si lavora obbliga a dei punti collocati nel tratto risultante con pressioni superiori a quella massima del ventilatore inferiore.
 
 
 
 
  3. Accoppiamento misto
 
 
 
Quando bisogna raggiungere delle grandi porzioni di ventilazione tra margini molto ampi di variazione in genere si ricorre ad accoppiamenti molteplici di varie serie di ventilatori collegati in parallelo. Ciò avviene, ad esempio, nella ventilazione di tunnel con circolazione di veicoli dove il traffico è notevolmente variabile e raggiunge dei momenti di grande affollamento e altri in cui rimane semivuoto. Il disegno della Fig. 10 indica uno di questi casi, estratto da un impianto reale, in cui sono attive quattro unità di mandata in parallelo costituite da due ventilatori in serie in ciascuna. Le diverse combinazioni possibili di funzionamento forniscono portate da 50.000 m³/h fino a quasi 600.000 m³/h, in otto livelli diversi che si possono usare a seconda dell'inquinamento da controllare oppure per casi di emergenza come in un incendio. La Fig. 10, le curve di prestazioni, la Fig. 11 e la relativa Tabella 1, spiegano di per se stesse questo caso di accoppiamento misto di ventilatori.

Fig. 10. Ventilazione di un tunnel di strada
Fig. 11. Punti di lavoro di ventilatori accoppiati

Punto di lavoro Unità in parallelo Ventilatori in serie Velocità giri/min Flusso m³/h Potenza assorbita Kw Ore servizio medio
1 4 2 975 142 254 E
2 3 2 975 120 178 E
3 2 2 975 91 193 4
4 4 2 485 75 34 10
5 3 2 485 60 24 -
6 2 2 485 45 15 -
7 2 1 485 28 6 4
8 1 1 485 14 4 6
E = Solo per emergenza
Tabella 1. Prestazioni in base alle unità di mandata in servizio

 
 
 
 
 
 
 
 
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