Lezioni ed esercitazioni: Design of HVAC system and mechanical equipment

C

3

3 )

C

Osservazioni:

Si conoscono le portate entranti nei sistemi, ma qual è l'obbiettivo?

E' quello di raggiungere una distribuzione "bilanciata", il significato si

capirà in seguito.

Ovviamente le portate in gioco su ogni ramo devono esser compatibili

con i dati progettuali.

Come obbiettivi secondari, si pongono il dimensionamento della

tubatura, il relativo costo, il consumo energetico dell'impianto etc.

Un obibiettivo secondario può essere il dimensionamento delle

tubature, il costo, il consumo energetico dell'impianto ecc.

Fluidodinamica dell'impianto

• Flusso monodimensionale, regime stazionario, fluido incomprimibile

(densità costante) ed isoterma (pareti ben coibentate).

• Presenza di perdite di pressione causate dagli attriti (tenuti in

considerazione tramite le resistenze localizzate e distribuite).

Per ogni elemento, il parametro fisico da considerare è:

NODO (elemento che connette due o più rami)

•Per il nodo: la pressione P Length L

Ramo

•Per il ramo: Cross section A

nodo " i " nodo " i+1" Diameter D

Equazioni

•Bilancio di massa ad ogni nodo:

ti

•Portata: ¥

•Equazione di Bernoulli: Rtggzztgvit 3

Pntfgzntf

Dove: ? perdite distribuite

3:

perdite concentrate

ß rappresenta il coefficiente

In dettaglio: 13: di perdita localizata

:

f- ; .

a ,

fattore di attrito ricavabile dal diagramma di Moody

Diagramma di Moody

Alcune considerazioni:

sviluppando la formula della portata: ¥

v. ~

±

egez

2

Sostituendolo nelle perdite distribuite: 16

f- .

% - .it?D4

D

Si riferiscono quindi le perdite di pressione in funzione di una

lunghezza unitaria: fig

) ×

3

2 ss

t

Si conclude che la pressione persa per ogni metro di lunghezza è

proporzionale alla velocità ad al diametro del condotto

CRITERI PER LA PROGETTAZIONE

1) Imposed air velocity

2)∆P/L = constant

3) Pressure recovery

1)Imposed air velocity: simplest method

Questo è l'approccio più semplice, sapendo che la velocità dell'aria non

deve eccedere sopra un determinato valore.

Una velocità alta, implica l'aumento della potenza meccanica di

ventilazione. Se si riducesse il diametro della tubatura (aumentando la

velocità), la perdita di pressione aumenterebbe con il quadrato della

velocità. Inoltre, aumentare la potenza di ventilazione implica aumentare il

rumore generato. PRO: condotti di piccola dimensione

Alte velocità

implicano

(maggiori di 10m/s) CONTRO:

•Alta potenza di ventilazione

•Alti consumi energetici (di

ventilazione)

•Rumore

Nel dettaglio

Allontanandosi dal ventilatore, la velocità si riduce progressivamente

(poichè le portate si riducono). Conviene sempre avere basse velocità in

prossimità degli ambienti da climatizzare (per evitare eccessivo rumore)

2 3

. 5 1 :

613

ms

Recupero di pressione

Parte della caduta di pressione lungo il condotto viene intrinsecamente

recuperata (parte della pressione dinamica viene trasformata in pressione

statica)

Applicando l'equazione di bernoulli ad un qualsiasi nodo: caso

generico, tra 1 e 2. ¥ Rtggzztgvit 2

pntggzntg causate dalla

presenza del nodo

:( i :) ?

% Rt

E, questo risultato implica che la differenza di pressione statica tra

il punto 1 e 2 è data da due termini, uno dinamico (compresa la

che dipende dalla velocità al quadrato) ed uno statico (la P1).

∆Pc,

Se v2<v1, parte della variazione di pressione dinamica (il 30%) viene

trasformata in pressione statica, perciò si può scriver che:

___ pipate

{( ii )

Metodo "imposed velocity", operativamente: (tratto 2-3)

1)Imporre la velocità

2)Tramite le portate (conosciute) si ricavano le sezioni

3)Si calcola il diametro del condotto (dell'ordine della 10^-1 metri).

Solitamente si utilizzano misure standard, ma in caso di necessità si

sceglie la tubatura in commercio con un diametro MAGGIORE.

Si esegue la stessa procedura per gli altri tratti di tubatura

considerando che la portata diminuisce lungo il percorso (vengono

estratte le portate che climatizzano agli ambienti)

I nodi 4-5-6-7 sono connessi alla tubazione principale per mezzo di

diffusori, di diametro usualmente che varia dai 200 mm ai 100 mm

Questo approccio è veloce ed utile per un'idea preliminare della

dimensione dell'impianto.

Un approccio migliore (quello più usato) è il criterio del "constant ∆P/L

method".

2) Metodo "Constant operativamente: (tratto 2-3)

∆P/L",

1) Imporre la velocità

2) Tramite il diagramma (distributed loss)/L in funzione della

∆Pd

portata, si ricava il diametro della tubatura.

Si vede come, mantenendo l'ordinata costante, al ridursi della

portata (lungo l'impianto), riduce le sezioni dei condotti.

Per verificare il bilanciamento dell'impianto si osserva l'andamento della

pressione lungo la tubazione in un diagramma che presenta in ordinata la

pressione ed in ascissa i vari "step" dell'impianto (dalla presa d'aria esterna

al diffusore finale).

Rappresentando la pressione in funzione della distanza dall'uscita del

ventilatore: 2 3 6 7

. 5

U )

C

3 >

:

3

> J 6 ∆Pc

Recovery >

air intake final

3

3 C diffusor

AHU

Pressure

losses

Dove: s

2

3

Si approssima la trattazione in modo che la pressione di acquisizione

dell'aria esterna (pressione atmosferica) sia la stessa rilevata nell'ultima

tubatura dell'impianto.

Attraverso il diffusore c'è una ulteriore caduta di pressione, perciò il punto

finale non risulterà sull'ascissa, bensì ad un funzione del diffusore

∆P

(Pochi pascal, necessari per far uscire l'aria).

L'andamento è LINEARE (non ci sono motivi per ipoitizzare il

contrario). Quando il flusso cambia direzione, si generano

inevitabilmente turbolenze che provocano cadute di pressione, tuttavia,

progettando a dovere la curvatura, quest'ultime possono esser

trascurate.

L'impianto, è bilanciato (a livello di pressioni)?

Si parla di "impianto bilanciato" se ogni salto di pressione, dal punto

analizzato alla pressione esterna, è uguale:

° t

7,37

=

toc

Graficamente si deduce quindi che il sistema non è bilanciato, ma lo si

può render tale.

Lo si fa introducendo piccole resistenze, perciò, nel caso in cui:

: B

Per far ciò si ricorre a due soluzioni:

1)Ridurre il diametro: aumenta la velocità, aumentano le perdite di

pressione, riducendo il margine di distacco dal sistema sbilanciato.

2)Introdurre delle perdite di pressione concentrate con serrande di

bilanciamento: 3 6 7

. 5

U )

C

3

3 )

C

molti impianti nascono già muniti di serrande, quindi spesso basta

utilizzare questa soluzione per ovviare al sistema non bilanciato.

Che vantaggio porta avere un impianto bilanciato?

Serve a distribuire bene la portata di fluido. Nel caso sbilanciato, non

sarebbero diffuse equamente dentro gli ambienti (dove c'è più differenza

di pressione entrerebbe più portata).

E' un fenomeno sempre negativo? No, a volte è necessario avere un

ambiente con più portata (per esempio un ambiente più grande), ma

rimane comunque una operazione complicata la regolazione non

bilanciata.

Si può migliorare ulteriormente il modo di operare (per esempio

eliminando le serrande)? Si, tramite il "pressur recovery criteria".

3) Metodo "Pressure recovery", operativamente: (tratto 3-4)

•Diametro conosciuto (dal metodo di imposizione della velocità)

•Diametro del tratto successivo (4-5) non conosciuto.

Si osserva in primis cosa succede andando a ridurre progressivamente il

diametro (quindi conoscendo il 3-4, dimensionare il 4-5):

:

) Pressure recovery Legenda:

÷

This point identify the value

of the Diameter

Pressure lost

•Incrementando il diametro nel tratto successivo, la velocità diminuisce,

quindi incrementa il pressure recovery e si riduce la perdita di

pressione.

•Il punto dove si intersecano le rette identifica un valure del diametro

D_4-5 (downstream branch) per il quale la caduta di pressione è

uguale al recupero di pressione

Questo si traduce in: 6

2

Si ottiene quindi un impianto bilanciato tramite l'ottimizzazione della

precedente soluzione base.

Ai fini del progetto assegnato in aula, utilizzare questo metodo è inutile,

non si va a cercare il pelo nell'uovo, si utilizzerà il metodo della velocità

imposta.

Technical information about the ductwork

MATERIALI

La soluzione standard per la realizzazione di condotti circolari e

rettangolari, è la lamiera di acciaio (acciaio zincato).

E' meglio usare tubazioni circolari o rettangolari?

Dal punto di vista fluidodinamico, senza dubbio le tubature circolari (meno

turbolenze).

Il problema si pone in fase di messa in opera, poichè il diametro in

direzione verticale non sempre è compatibile con l'altezza del

controsoffitto.

In un controsoffitto spesso si ha più disponibilità in larghezza che in

altezza, ed è una caratteristica più compatibile con i condotti quadrati.

Quando invece le tubazioni sono a vista, il problema non persiste ed è

meglio l'utilizzo di un tubo circolare.

Riguardo i condotti verticali, una buona regola è quella di non avere il

rapporto altezza/base eccessivamente piccolo (è accettabile nell'intervallo

0.2÷0.45).

Un'altra tipologia di materiale spesso utilizzata è quella del "multilayer

preinsulated duct". Questi condotti sono provvisti di strati di isolante (per

esempio poliuretano espanso) introdotto tra due fogli di alluminio (utili

soprattutto per le applicazioni rettangolari).

^

www

^ ^ www

^ '

^ Poliuretano

rigido espanso

Fogli di alluminio

Una ulteriore tipologia prende come base il semplice condotto di

metallo, applicando al suo esterno uno strato di isolante morbido (fibra

di vetro, lana) insulation

Alluminium

foil ÷ la soluzione precedente

in

(poliuretano espanso) è

buona se la tubazione è già

Metal protetta, poichè essendo

duct fragile, non può sopportare

urti (