Impianti di ventilazione industriale - scelte operative

Quali sono le grandezze fisiche che caratterizzano un ventilatore? Come vengono scelti? Scoprilo con noi!

Nel precedente articolo (dedicato alle leggi fisiche relative all'aspirazione industriale) abbiamo visto delle equazioni di bilancio molto importanti per il moto dei fluidi: il bilancio materiale e il bilancio energetico. In questo articolo, alla luce delle consapevolezze sviluppate, esamineremo più nello specifico i ventilatori industriali e le grandezze che li caratterizzano.

Abbiamo visto che la legge sopra riportata è di fondamentale importanza nell’analisi della meccanica dei fluidi. In essa compaiono i seguenti termini:

  • ρgz: contributo geodetico del trinomio di Bernoulli
  • 1/2ρv2: contributo cinetico del trinomio di Bernoulli
  • p: contributo di pressione del trinomio di Bernoulli
  • pc: contributo legato alle perdite di carico

Il trinomio di Bernoulli tende a conservarsi nelle diverse sezioni prese in esame, a patto che si consideri il moto di un fluido ideale. Ebbene, viviamo in un mondo reale, nel quale spesso l’approssimazione all’idealità non può essere applicata. Nel moto di un fluido reale vi è un ulteriore contributo nell’equazione: l’effetto dissipativo, quantificato dalle perdite di carico. Questo è legato alle forze viscose, che creano fenomenologie di attrito.

Una nuova nomenclatura - aeraulica

Per effettuare l’analisi delle apparecchiature di nostro interesse (i ventilatori) introduciamo una nuova nomenclatura.

  • Il contributo di pressione viene denominato «pressione statica», in quanto corrisponde alla pressione che il fluido esercita sulle pareti della condotta o del recipiente nel quale è contenuto. Nel proseguire la nostra trattazione chiameremo tale contributo ps. Nell’analisi dei ventilatori questo termine viene tipicamente considerato in senso relativo (rispetto alla pressione atmosferica). In altri termini, se la pressione statica risulta inferiore alla pressione atmosferica, essa assumerà un valore negativo; se viceversa risulta superiore, essa assumerà un valore positivo.
  • Il contributo cinetico viene denominato «pressione dinamica», e corrisponde a quella frazione di energia del fluido legata al moto ordinato delle molecole che lo compongono. Denominiamo questo contributo pd.
  • La somma della pressione statica e della pressione dinamica dà luogo ad una grandezza che denominiamo «pressione totale», e che indichiamo con pt.
Pressione statica-pressione dinamica-pressione totale

L’unità di misura utilizzata nel S.I. per la misurazione delle pressioni è il Pascal (Pa). Nella ventilazione viene frequentemente usata un’altra unità di misura, ossia i millimetri di colonna d’acqua (mmH2O). Per la conversione delle unità di misura può essere utilizzato il seguente fattore di conversione:

Alla luce di queste considerazioni l’equazione iniziale può essere scritta come segue:

Se consideriamo delle situazioni in cui le variazioni geodetiche sono esigue (come spesso accade nella progettazione di impianti di ventilazione) abbiamo che i contributi geodetici sono semplificabili. Otteniamo dunque:

Notiamo dunque che l’effetto delle perdite di carico è quello di diminuire la pressione totale del sistema. In particolar modo ci chiediamo: quale contributo della pressione totale diminuirà? Quello legato alla pressione statica o quello legato alla pressione dinamica?

Avevamo condotto un’analisi simile nel precedente articolo, e abbiamo visto come il termine che diminuisce a causa delle perdite di carico è quello legato alla pressione statica. Ciò è causato dal fatto che la velocità del fluido (che compare nella pressione dinamica) è governata dal bilancio materiale.

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Per garantire la conservazione del flusso massivo, la velocità varia solamente se vi sono delle corrispondenti variazioni di densità o di sezione di passaggio. 

Perdite carico tubazione

Dunque, se consideriamo una tubazione a sezione costante e una situazione con esigue variazioni di densità, anche la velocità del fluido sarà la medesima, e dunque anche la pressione dinamica del fluido permarrà invariata. L’obiettivo del ventilatore è quello di creare differenze di pressione che consentano di vincere le perdite di carico garantendo così il moto del fluido.

Immergiamoci nel mondo dei ventilatori.

Analisi dei ventilatori

Ventilatore centrifugo

Esaminiamo insieme la struttura di un ventilatore.

Le tubazioni vengono collegate al ventilatore attraverso la bocca aspirante e/o la bocca premente. Tramite un’apposita palettatura interna, che grazie ad un motore elettrico effettua un certo numero di giri al minuto (rpm), il ventilatore industriale è in grado di creare:

  • Una zona di depressione (ps<0) nei pressi della bocca aspirante, in modo tale da convogliare la portata gassosa al suo interno.
  • Una sovra-pressione (ps>0) nei pressi della bocca premente, in modo tale da permettere al flusso di vincere le perdite di carico della tubazione di uscita.

Dunque, come è possibile scegliere opportunamente un ventilatore industriale? Quali grandezze fisiche vanno tenute in considerazione in questa scelta? È opportuno fare chiarezza sulle prestazioni che si desiderano ottenere. In particolar modo devono essere note:

  1. La portata volumetrica (V, spesso denominata Qv) che si desidera che fluisca all’interno del ventilatore e delle rispettive tubazioni di raccordo.
  2. La pressione statica (ps) che il ventilatore deve garantire per vincere le perdite di carico ed eventuali variazioni geodetiche del flusso. Le perdite di carico (distribuite o localizzate) possono essere calcolate sulla base delle caratteristiche costruttive dell’impianto di aspirazione, della portata scelta e delle proprietà fisiche del flusso.

Sulla base di questi parametri (Qv e ps) può essere effettuata una prima selezione di potenziali ventilatori, che possano lavorare nelle condizioni richieste. Ciascun ventilatore di potenziale scelta è caratterizzato dalle proprie curve caratteristiche, che ne descrivono il funzionamento in diverse condizioni operative. Tali curve caratteristiche vengono riportate all’interno di un diagramma, avente:

  • In ascissa i valori di portata volumetrica (Qv), che è uno dei parametri di scelta. A ciascuna portata volumetrica è associabile una certa pressione dinamica e una certa velocità, tipicamente riportate in due assi sottostanti a quello delle ascisse. Tali valori vengono calcolati sulla base delle proprietà del fluido e delle geometrie costruttive del ventilatore (aree di passaggio). Nei diagrammi caratteristici, per il calcolo della densità (utile alla valutazione della pressione dinamica) viene tipicamente considerata aria alla temperatura di 20 °C e a pressione ambiente.
  • In ordinata vengono riportati i valori di pressione totale (pt). Una volta scelto il valore della pressione statica e una volta ricavato il valore della pressione dinamica (sulla base della portata Qv), è possibile ricavare la pressione totale come somma di questi valori.

In questo modo risulta possibile determinate il punto di funzionamento del ventilatore all’interno del diagramma.

Scelta ventilatore

Come si può notare nell’immagine, all’interno del grafico compaiono una serie di curve caratteristiche, ciascuna associata ad un diverso numero di giri della ventola. Al punto di funzionamento, mediante altre curve parametriche presenti all’interno del grafico, è possibile associare:

  • La potenza sonora emessa a massimo rendimento (Lp, misurata in dB)
  • Il rendimento del sistema (η)
  • La potenza assorbita (in kW)

Il ventilatore scelto risulta ottimale se nel punto di funzionamento garantisce delle buone performance, ossia se è vicino ai punti di massimo rendimento, i quali si trovano tipicamente nelle zone centrali delle curve stesse. Se ci si dovesse scostare eccessivamente dal punto di massimo rendimento è bene scegliere una tipologia diversa di ventilatore. In particolar modo, se si è troppo a destra rispetto ai punti di massima funzionalità conviene scegliere un ventilatore più grande della stessa serie. Se si è invece troppo a sinistra risulta conveniente scegliere un ventilatore più piccolo.

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