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  DISPENSE TECNICHE
 
  MECCANICA DEI FLUIDI
 
  CIRCOLAZIONE DELL'ARIA NEI CONDOTTI I
 
 
       
 
  1. Flusso laminare e turbolento
  2. Perdite di carico nei tratti diritti
  3. Canali rettangolari
  4. Imprevisti nelle canalizzazioni
  5. Metodo del coefficiente «n»
  6. Esempio del coefficiente «n»
  7. Curva caratteristica del sistema
 
 

Per ventilare uno spazio, un recinto o una macchina, spingendo o estraendo l'aria, è molto frequente dover collegare il ventilatore/estrattore attraverso un condotto, di maggiore o minore lunghezza con una o altra forma o sezione.

Il flusso dell'aria nel condotto assorbe energia dal ventilatore che la spinge/estrae a causa dell'attrito con le pareti, dei cambiamenti di direzione o degli ostacoli che si trovano nel passaggio dell'aria. La redditività di un impianto esige che si riduca al minimo questa parte di energia consumata.

Nella Fig. 1 viene rappresentata una canalizzazione in cui un ventilatore V lavora facendo circolare un flusso Q di aria. Questo condotto ha l'entrata tagliata a "raso", cambiamenti di sezione "quadrati", bruschi, e un ostacolo "O" di traverso con una sua forma. Sotto viene presentato un grafico con le pressioni totali Pt che si producono nel condotto al passaggio dell'aria e che devono essere vinte dal ventilatore sottoforma di perdite di carico. Le zone non ombreggiate indicano gli spazi "vuoti" d'aria e la comparsa di turbolenze nel flusso.

Fig. 1. Circolazione d'aria nei condotti


La stessa canalizzazione, Fig. 2, con un boccaglio di entrata, cambi di sezione conici e un ostacolo aerodinamico di traverso, presenta un grafico di pressione molto più ridotto. In questo caso si è calcolato che la pressione Pt necessaria, per lo stesso flusso Q, passa da 27 mm c.d.a.. a 16 mm, vale a dire, un 40% meno.

Fig. 2. Circolazione d'aria nei condotti

Dato che il consumo di un ventilatore è direttamente proporzionale alla pressione totale Pt a cui lavora, si può constatare che un errato dimensionamento del condotto può portare ad un maggior consumo di energia (+ 68% ) come dal caso sopra descritto.

 
 
 
  1. Flusso laminare e turbolento
 
 
 
Il flusso dell'aria si chiama laminare quando la sua traiettoria è uniforme, i filetti sono paralleli e ben definiti, come viene indicato mediante tracciatori sinottici.

Il flusso è turbolento quando la traiettoria delle particelle del fluido è irregolare, in costante cambiamento con la comparsa e scomparsa di innumerevoli mulinelli. Calcolando un numero, chiamato di Reynolds, che comprende, la densità del fluido, il diametro del condotto, la velocità e la viscosità del fluido, si può determinare il tipo di flusso all'interno del condotto. Al di sotto del valore di 2.100 sarà laminare , al di sopra di 4.000 , sarà turbolento. Nell'impiantistica della ventilazione e per motivi di economia( sezioni più contenute meno costose) il flusso dell'aria è sempre turbolento.
 
 
 
 
 
  2. Perdite di carico nei tratti diretti
 
 
 
La pressione dell'aria necessaria per vincere l' attrito in un condotto, che è la causa determinante del consumo di energia del ventilatore, viene chiamata perdita di carico. Si calcola con la formula di Darcy che prende in considerazione la lunghezza del condotto, il cosiddetto diametro idraulico, la velocità e densità dell'aria e il coefficiente di attrito che, a sua volta, dipende dal numero di Reynolds, dalla rugosità delle pareti, dalle dimensioni e dalla disposizione della stessa. Calcolare la perdita di carico con queste formule è piuttosto complesso e, nell'insieme, porta solo a risultati approssimativi, dato che sia la viscosità , sia la densità e la rugosità possono variare tra margini molto ampi. Per questo motivo nella pratica si ricorre all'uso di specifici diagrammi che tengono conto di , sezioni standard dei condotti e della rugosità dei materiali di uso comune.

Il diagramma della Fig. 3 si riferisce a condotti rigidi con sezioni circolari e un coefficiente di attrito l = 0,02

Pérdida de carga, en mm c.d.a. de Presión Total por metro de longitud del conducto.

Ejemplo de lectura:
Un caudal de 5.000 m³/h circula por un conducto de 0,45 m de Ø a una velocidad de 8 m/s con una pérdida de carga de 0,15 mm por metro.

Fig. 3. Condotti circolari rettilinei. Pérdida de carga por rozamiento de aire

 
 
 
 
  3. Conductos rectangulares
 
 
 
Se la sezione del condotto non è circolare, caso frequente negli impianti di ventilazione in cui sono presenti delle forme rettangolari o quadrate, è necessario stabilire prima la sezione circolare equivalente, vale a dire quella che presenta la stessa perdita di carico di quella rettangolare considerata. Successivamente si può utilizzare il diagramma della Fig. 3.

Il diametro equivalente si può calcolare con la formula di Huebscher:
de = 1,3  
(ab)5/8
 
(a+b)1/4

Più semplicemente si può utilizzare il grafico della Fig. 5 basato su questa formula.

Fig. 4. Condotti rettangolari


Esempio:
Un condotto di 240x140 mm ha un diametro equivalente Ø 200 mm.

Fig. 5. Condotti rettangolari


 
 
 
 
  4. Imprevisti nelle canalizzazioni
 
 
 
Le canalizzazioni d'aria non sono sempre costituite da tratti rettilinei, e spesso incontrano degli imprevisti nel loro percorso che obbligano all'uso di gomiti, deviazioni, entrate, uscite, ostacoli, ecc. Tutti questi offrono resistenza al passaggio dell'aria e causano delle perdite di carico. Per conoscere la resistenza totale di un sistema di canali sarà necessario calcolare le perdite di ognuno di questi imprevisti e sommarle a quelle dei tratti diritti.

Esistono diversi metodi per calcolare la perdita di carico di una canalizzazione. Il più citato nei manuali specializzati è il seguente:
 
 
 
 
  5. Metodo del coefficiente «n»
 
 
 
Questo metodo si basa sul calcolo della perdita di carico, in unità di pressione totale Pt, di un elemento del condotto in base alla pressione dinamica Pd dell'aria che circola e di una serie di coefficienti «n» di proporzionalità determinati in modo sperimentale, per ciascuno a seconda della forma e delle dimensioni. La formula usata è:

Perdita di carico Pt = n × Pd [ mm c.d.a.]


Da questa formula verranno calcolati uno ad uno gli imprevisti del condotto che, sommati a quelli dei tratti diritti, danno la perdita di carico totale del sistema.
 
 
 
 
  6. Esempio del coefficiente «n»
 
 
 
A titolo di esempio presentiamo due grafici relativi ai coefficienti «n» delle curve ad angolo retto con sezione circolare e rettangolare, figure 6 e 7, con alcune varianti di costruzione dei primi.

Fig. 6. Coefficientes «n» de perdite di carico nelle curve


Fig. 7. Coefficientes «n» de perdite di carico nelle curve



Nella prossima Scheda Tecnica verranno indicati altri casi di imprevisti con i dati dei relativi coefficienti «n», senza la pretesa di voler esaurire l'argomento che, è trattato anche da altri manuali normalmente in uso.
 
 
 
 
  7. Curva caratteristica del sistema
 
 
 
Una volta calcolate le perdite di carico totali di un sistema di canalizzazione con tutti i suoi imprevisti, S Pt = P tratti retti + P curve + P deviazioni + P espulsioni + P ecc. per un flusso determinato Q1 si possono calcolare le perdite per un altro flusso diverso Q2 tramite la formula:

Pt2 = Pt1  
Q2²
 
Q1²


Vale a dire, che le perdite sono proporzionali al quadrato dei flussi che circolano:

Pt = K Q²


Calcolato K per un flusso specifico, si può disegnare il grafico pressione /portata per tutti i valori della portata. Questo grafico, Fig. 8, ha la forma di una parabola e viene chiamato Curva Caratteristica del Sistema.

Fig. 8. Curva caratteristica del sistema

 
 
 
 
 
 
 
 
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