Come determinare le perdite di pressione in un sistema di ventilazione: una guida pratica

La misurazione delle perdite di pressione in un sistema di ventilazione è una parte fondamentale per garantire l'efficienza e l'affidabilità dell'impianto. Ogni componente del sistema, inclusi i raccordi, le tubazioni e le valvole, può contribuire in modo significativo alla perdita di pressione totale. Le misurazioni devono essere effettuate con estrema precisione, utilizzando apparecchiature appropriate e seguendo le normative internazionali, come quelle contenute nella GOST R ISO 5725-6-2002. Le procedure descritte di seguito si basano su metodi consolidati per il calcolo delle perdite di pressione dovute alla frizione, alla misurazione della perdita di carico (LDC) e alla verifica della tenuta del sistema.

Per la misurazione della pressione statica, sono stati utilizzati i punti di presa 2, 4 e 6 (Figura 2.11), posti in piano con la parete del condotto. Le pressioni dinamiche nelle ramificazioni e alla confluenza a monte del ventilatore sono state misurate utilizzando un tubo di Pitot o un anemometro a filo caldo attraverso le prese 1, 3 e 7. Le velocità nei condotti e a monte delle aperture sono state misurate secondo una procedura descritta da Badykova et al. (2017); oltre ai punti specificati nella norma, sono state effettuate letture anche in punti intermedi lungo l'apertura per migliorare l'accuratezza.

In seguito, è stato determinato il comportamento del coefficiente di frizione λ in funzione del numero di Reynolds (Figura 2.12), confrontando i risultati sperimentali (punti) con quelli ottenuti tramite la correlazione di Blasius (curva). Le letture sperimentali differivano dai valori forniti dalla legge di Blasius di non più del 15%, con un'eccezione, un errore del 32% che potrebbe essere spiegato da un errore di misurazione. Successivamente, nello studio del LDC, la perdita di pressione per frizione specifica R (Pa/m) nella ramificazione è stata determinata come:
R = λ · P DYN,
dove λ è il coefficiente di frizione calcolato con la formula di Blasius e P DYN è la pressione dinamica nella ramificazione specifica del condotto.

Per determinare correttamente il LDC di un raccordo, è necessario che la portata dell'aria cambi il meno possibile durante la configurazione. Per questo motivo, è essenziale eseguire un controllo di tenuta per ogni misurazione. Il totale delle portate d'aria nei rami di ingresso (L + S L) è stato confrontato con la portata totale dell'aria dopo la confluenza a monte del ventilatore (punto M 7). La portata nei rami e a monte del ventilatore è stata determinata misurando la velocità con un termo-anemometro. Poiché il raccordo stesso era dotato di una finestra di visualizzazione acrilica, soggetta a perdite aggiuntive, tutte le connessioni sono state sigillate applicando plasticina oltre ai comuni sigilli di gomma adesiva. Tuttavia, è stata raggiunta una tenuta accettabile, definita come un aumento relativo della portata d'aria ΔL < 10%, solo quando il vuoto nel sistema non superava –15 Pa. Quando entrambi i piatti orificio erano aperti nella posizione No. 1, è stato stabilito un vuoto dell'ordine di –5 Pa con ΔL ≈ 4%. Con entrambe le piastre di orificio nella posizione di massima chiusura (No. 8), il vuoto nel sistema è sceso a –65 Pa con ΔL ≈ 24%.

Come le Tecniche di Modellazione CFD e DVM Influenzano la Progettazione degli Estrattori d'Aria

Il miglioramento delle prestazioni degli estrattori d'aria dipende in gran parte dalla capacità di modellare correttamente il flusso attorno alla loro forma. L'uso di tecniche numeriche, come il Computational Fluid Dynamics (CFD) e il Direct Vortex Method (DVM), è cruciale per ottimizzare il design delle cappottine di scarico. In particolare, la forma degli estrattori d'aria influenzata dalla geometria dei Vortex Zones (VZ) gioca un ruolo fondamentale nell'efficienza del flusso e nella riduzione delle perdite di carico (LDC).

La geometria degli estrattori può essere migliorata tramite il rimodellamento lungo i contorni delle VZ determinate da simulazioni CFD e DVM. Nei test numerici, l’iterazione dei raffinamenti della mesh lungo i confini solidi è fondamentale per garantire che i layer di confine siano risolti correttamente, assicurando così una simulazione fluida e accurata. La misurazione del LDC, un parametro chiave per la valutazione delle perdite di carico, è seguita durante questi raffinamenti per assicurare la convergenza della mesh.

Nella progettazione degli estrattori, un approccio che considera l'outline della prima e della seconda VZ determina in modo significativo il comportamento del flusso. Se l'outline è modellato tramite CFD, si può notare la formazione di una zona di vortice secondario al di sotto della forma della cappottina, riducendo la portata del flusso principale e aumentando il LDC. Al contrario, utilizzando l’outline derivato da DVM, il flusso si presenta più liscio e senza separazioni, riducendo notevolmente le perdite di carico.

In un'analisi comparativa delle tecniche, si osserva che la modellazione con DVM, che prevede una chiusura più fluida delle VZ contro la parete, risulta più efficace nel prevenire la formazione di vortici secondari, riducendo così le perdite di carico. Questo approccio è particolarmente utile in applicazioni dove la dimensione finale dell'estrattore non è limitata, permettendo una maggiore efficienza di estrazione senza sacrificare la stabilità del flusso.

Quando la modellazione è effettuata lungo il contorno della seconda VZ, le perdite di carico (LDC) possono essere ridotte fino al 48%, con una riduzione addirittura del 96% se viene applicato il metodo DVM. In alcuni casi, l'introduzione di una frattura nel design dell’estrattore (come nel caso di un "estrattore fratturato") permette di ottenere ulteriori riduzioni di LDC, mantenendo però una velocità di cattura dei contaminanti più alta, il che può essere vantaggioso in applicazioni industriali ad alta efficienza.

È interessante osservare che, sebbene la forma fratturata porti ad un aumento del LDC rispetto alla modellazione continua, essa comporta una velocità di estrazione dei contaminanti superiore rispetto ai design con geometrie più strette. Il risultato è un miglioramento delle prestazioni di estrazione anche se il design complessivo presenta una forma meno compatta rispetto ai modelli tradizionali.

Nel confronto tra la modellazione CFD e DVM, la differenza principale risiede nella capacità di DVM di determinare un contorno che non causa la formazione di vortici secondari, migliorando l’efficienza del design finale. Le simulazioni CFD, purtroppo, tendono a causare la formazione di vortici secondari, un fenomeno che può portare a una riduzione dell'efficienza, sebbene questo effetto sia in gran parte attribuibile a errori di calcolo numerici, specialmente quando si lavorano con valori di LDC molto piccoli.

Inoltre, quando il design dell'estrattore si basa sulla forma della seconda VZ, l’efficacia del shaping può essere ulteriormente migliorata mediante il cosiddetto approccio "senza restringimento", in cui non si impone una chiusura completa del flusso, ma si permette al flusso di espandersi maggiormente prima di incontrare l’uscita. Questo approccio consente di ridurre in modo significativo il LDC senza compromettere la velocità del flusso.

Infine, la scelta tra il shaping basato su CFD e quello basato su DVM dipende principalmente dall'analisi delle applicazioni specifiche e dei requisiti di efficienza. Per le applicazioni in cui l'efficienza del flusso e la riduzione delle perdite di carico sono prioritari, il metodo DVM offre un vantaggio evidente, sebbene la complessità computazionale e la possibilità di errori numerici debbano essere sempre considerate.

Qual è l'influenza della geometria e dei confini sulle zone di separazione in un canale di scarico rettangolare?

Le zone di separazione (VZ) nei canali di scarico rettangolari sono influenzate in modo significativo dal rapporto di aspetto B/A. Per i canali con rapporti di aspetto B/A = 1, 2, 4, 6, le configurazioni delle VZ sono state studiate mediante simulazioni numeriche e presentate in varie proiezioni (vedi Figure 6.8–6.11). Le sezioni longitudinali sono parallele al piano XY, mentre le sezioni trasversali sono parallele al piano ZY. Le sezioni vengono tracciate a partire dall'asse del canale e fino alla parete, a distanze proporzionali alla larghezza del canale (A per le sezioni longitudinali, B per quelle trasversali).

Nei canali con B/A = 2, 4, 6, è stato osservato un fenomeno di convergenza delle linee di corrente man mano che ci si avvicina all'asse del canale. Per X/B = 0 (punto centrale), le linee di corrente per i canali con rapporti di aspetto maggiori sono molto simili, mentre nel caso di un canale quadrato (B/A = 1), la forma delle VZ è molto diversa, indicando una forte interazione con le pareti del canale.

Un aspetto interessante delle VZ, osservato nelle sezioni trasversali, è che la separazione iniziale in prossimità degli angoli (X/B = 1) è molto influenzata dalle pareti, con le linee di corrente che tendono a sovrapporsi. Man mano che ci si allontana dalla parete, le linee di corrente si differenziano più facilmente, specialmente nei canali con rapporti di aspetto più elevati. Questo fenomeno è particolarmente evidente quando si considera la forma delle VZ vicino all'asse del canale, dove la convergenza delle linee di corrente diventa più evidente in canali con B/A = 2, 4, 6.

Un altro aspetto fondamentale riguarda l'impatto delle pareti sul flusso. Nei canali rettangolari, la separazione del flusso inizia a influire significativamente sulla distribuzione della velocità, portando a differenze marcate tra i flussi che si separano dalla parete laterale e quelli che si staccano dalla parete superiore o inferiore. La distribuzione della velocità, così come le linee di corrente, è influenzata principalmente dalle dimensioni del canale e dal rapporto di aspetto, con canali più ampi che presentano flussi meno turbolenti e più omogenei.

In applicazioni pratiche, come nella progettazione di cappe aspiranti e dispositivi di ventilazione, la comprensione delle VZ e della loro evoluzione in funzione delle dimensioni del canale e del rapporto di aspetto è fondamentale per ottimizzare le prestazioni del sistema di ventilazione. Ad esempio, in presenza di un piano impermeabile, come accade in molti ambienti industriali, la forma delle VZ può essere modificata, influenzando l'efficienza energetica e la qualità dell'aria. È quindi cruciale determinare la distanza alla quale il piano impermeabile deve essere preso in considerazione per evitare riduzioni significative nelle prestazioni del sistema di scarico.

L'importanza della geometria del canale e del flusso di separazione non si limita alla comprensione dei fenomeni fluidodinamici, ma ha anche implicazioni pratiche significative, come il miglioramento dell'efficienza energetica e la riduzione dei consumi. Una progettazione più precisa e informata può portare a una gestione ottimale del flusso d'aria e a un abbattimento dei costi energetici, rendendo i sistemi di ventilazione più efficienti e meno impattanti per l'ambiente.

Come la geometria delle cappe di aspirazione influenza il flusso d’aria e l’efficienza energetica nei sistemi di ventilazione industriale

La progettazione e l’ottimizzazione delle cappe di aspirazione rappresentano un ambito complesso e cruciale per il controllo della qualità dell’aria negli ambienti industriali e pubblici. L’analisi del flusso d’aria attorno e all’interno di queste strutture richiede un’approfondita comprensione sia sperimentale che numerica, impiegando metodi quali la fluidodinamica computazionale (CFD), la misurazione sperimentale con tecniche come la velocimetria a immagini di particelle (PIV) e l’utilizzo di modelli matematici discreti o continui.

L’efficacia di una cappa è determinata in gran parte dalla sua capacità di catturare e convogliare efficientemente l’aria contaminata o carica di particelle, minimizzando al contempo le perdite di carico e i consumi energetici del sistema di ventilazione. Tra i parametri più significativi vi sono la forma geometrica, l’angolo di inclinazione della flangia, la lunghezza della flangia stessa, la presenza di dispositivi regolatori come l’iris damper e le caratteristiche del flusso in ingresso, quali la velocità e la turbolenza.

Studi dettagliati hanno mostrato come la configurazione delle cappe circolari con flange sagomate offra un miglioramento sostanziale nelle prestazioni aerodinamiche rispetto alle cappe non sagomate, grazie alla formazione di zone di vortice controllate (zone di vortice o VZ) che favoriscono una maggiore efficienza di cattura e una riduzione della resistenza aerodinamica. La simmetria e la stabilità di tali vortici sono condizionate dal numero di Reynolds e dalla geometria specifica dell’aspiratore, come la forma della bocca di aspirazione e la presenza di smussi o bordi arrotondati.

L’adattamento della mesh di calcolo nelle simulazioni CFD, nonché la verifica della convergenza della mesh stessa, risultano fondamentali per ottenere risultati affidabili, soprattutto quando si analizzano le componenti di velocità radiali e assiali e le zone di separazione del flusso, particolarmente critiche nei pressi degli ingressi e delle flange. Le perdite di pressione, spesso causate dalla separazione del flusso o da angoli vivi, incidono direttamente sul consumo energetico del sistema, motivo per cui la riduzione di tali fenomeni è un obiettivo primario nel design delle cappe.

L’implementazione di modelli di turbolenza avanzati, come il modello Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) e il modello di stress di Reynolds (RSM), è essenziale per rappresentare accuratamente i comportamenti complessi del flusso turbolento, inclusi gli effetti delle interazioni tra vortici secondari e la parete. Inoltre, i metodi di trattamento vicino alla parete, come l’Enhanced Wall Treatment (EWT), migliorano la predizione dei gradienti di velocità e della distribuzione di pressione nelle zone critiche.

Dal punto di vista sperimentale, l’uso di strumenti come sonde Pitot-Prandtl, minisonde di pressione e visualizzazioni tramite aerosol o traccianti permette di validare i modelli numerici e di fornire dati di riferimento per la calibrazione degli algoritmi computazionali. Le misurazioni di coefficienti di resistenza locale (LDC) consentono di quantificare l’effetto della geometria della cappa sulle perdite di carico, mentre la comparazione con dati sperimentali evidenzia l’efficienza energetica delle diverse configurazioni.

È inoltre di grande rilievo considerare l’impatto sulla salute e sicurezza negli ambienti lavorativi, poiché una corretta progettazione della ventilazione contribuisce a ridurre la concentrazione di polveri, agenti chimici nocivi e altre sostanze pericolose, limitando l’insorgenza di malattie respiratorie o cardiovascolari. In tale ottica, la normativa OSHA PEL e le linee guida ACGIH TLV definiscono limiti di esposizione e criteri per la progettazione degli impianti di aspirazione.

Oltre a quanto sopra, è fondamentale per il lettore comprendere l’importanza della sinergia tra simulazioni CFD e sperimentazioni reali per evitare errori di progettazione, poiché i modelli numerici, pur sofisticati, richiedono continua validazione. La scelta accurata del modello turbolento e la gestione delle condizioni al contorno sono aspetti che possono influenzare sensibilmente i risultati. Inoltre, la gestione delle scale temporali e spaziali nel calcolo, così come la corretta definizione delle proprietà fisiche dei fluidi e delle particelle trasportate, sono elementi indispensabili per una rappresentazione veritiera del fenomeno fisico.

Come l'ottimizzazione delle geometrie di componenti delle condotte può ridurre la resistenza aerodinamica e migliorare l'efficienza del flusso d'aria

L'efficienza del flusso d'aria nei sistemi di ventilazione è influenzata in maniera significativa dalla progettazione dei componenti che regolano il passaggio e la separazione del flusso, come i "tee" e le diramazioni. Numerosi studi hanno cercato di comprendere le dinamiche del flusso in queste sezioni critiche e di ottimizzare le geometrie per ridurre la resistenza aerodinamica (LDC - Loss of Drag Coefficient) e migliorare l'efficienza complessiva del sistema. Uno degli approcci più rilevanti è l'utilizzo di inserti e pareti modellate, che modificano il comportamento del flusso attraverso l'interazione tra la geometria delle condotte e il movimento del fluido.

Gli studi precedenti, come quello di Hirota et al. (2010), hanno utilizzato tecniche avanzate come la velocimetria laser Doppler (LDV) e il Particle Image Velocimetry (PIV) per analizzare i flussi in cui confluiscono flussi di aria a temperatura diversa, come nel caso di un flusso caldo che si unisce a un flusso più freddo in una diramazione. Questo tipo di esperimenti ha permesso di osservare non solo i profili di velocità media, ma anche le pulsazioni di velocità e la formazione di strutture vorticosi, che sono essenziali per comprendere le perdite di energia associate al flusso turbolento.

Un altro approccio interessante è stato quello di Gao et al. (2018a), che hanno combinato l'ottimizzazione delle pareti del tee con la connessione tra il ramo e la condotta principale. Il loro studio ha portato a una riduzione del LDC tra il 22% e il 68%, a seconda della direzione del flusso e del rapporto di portata. Tuttavia, anche in questo caso, non tutte le combinazioni di geometrie sono state esplorate, il che solleva domande sulla completezza e sull'efficacia di tale metodo. Nonostante i numerosi esperimenti, la comprensione del flusso all'interno del tee, in particolare riguardo ai vortici e alle interruzioni di flusso che causano perdite di energia, non è stata completamente affrontata.

Inoltre, numerosi studi hanno esplorato l'uso di alette separatrici e deflettori per ridurre la resistenza al flusso in tee di confluenza e separazione. Ad esempio, l'uso di pale e deflettori per migliorare il flusso attraverso il tee di confluenza ha portato a una riduzione del drag dal 4% al 62%, mentre nel caso di un tee di separazione, la riduzione variava dal 5% al 38% (Gao et al., 2019). Questi studi sono di particolare interesse per l'industria della ventilazione, poiché possono contribuire a migliorare l'efficienza dei sistemi e ridurre i costi energetici operativi.

Infine, la ricerca sull'utilizzo di inserti modellati, come quelli proposti da Li et al. (2014, 2015), ha mostrato che diverse geometrie, ispirate all'automobilismo e all'industria aerospaziale, possono ridurre efficacemente la resistenza aerodinamica. Gli inserti, che vanno da forme aereo-dinamiche a profili ellittici, hanno mostrato una riduzione del LDC tra il 22% e il 31%, a seconda della posizione e della forma specifica. Sebbene nessuna forma si sia rivelata universale, l'analisi ha confermato che la modellazione deve tenere conto dei vortici e delle turbolenze che si formano durante il flusso.

Tutti questi approcci dimostrano quanto sia cruciale l'ottimizzazione dei componenti di un sistema di ventilazione, poiché una progettazione accurata non solo riduce le perdite di energia e migliora l'efficienza, ma può anche influenzare il comportamento del flusso in modo significativo, evitando la formazione di vortici e turbolenze che aumentano la resistenza. Sebbene gli studi suggeriscano diverse soluzioni, è evidente che non esiste una risposta universale, ma piuttosto un insieme di tecniche che devono essere adattate alle specifiche condizioni di flusso e geometria del sistema.

La riduzione del drag e l'ottimizzazione della geometria sono temi che, pur essendo già ampiamente studiati, richiedono ancora molteplici indagini e miglioramenti, specialmente quando si trattano casi complessi, come quelli con flussi a diverse temperature o con configurazioni di condotte meno convenzionali. La sfida rimane quella di trovare un equilibrio tra la complessità dei modelli, la variabilità delle condizioni di flusso e la praticità delle soluzioni proposte.