Come la Ventilazione Vortex Ottimizza l'Efficienza Energetica dei Sistemi di Ventilazione

La ventilazione vortex, applicata ai sistemi di ventilazione, rappresenta un approccio innovativo per ottimizzare l'efficienza energetica e migliorare la gestione dei flussi d'aria attraverso l'analisi dei flussi separati e della dinamica computazionale dei fluidi. Questa metodologia esplora in dettaglio come i flussi d'aria si comportano all'interno degli elementi di ventilazione, come i raccordi e i condotti, e come questi possano essere modellati per ridurre la resistenza aerodinamica e, di conseguenza, il consumo energetico.

Le principali applicazioni di questa ricerca riguardano la progettazione di raccordi a bassa resistenza aerodinamica. Una caratteristica fondamentale di questa innovazione è la possibilità di ridurre le dimensioni dei ventilatori, con un conseguente abbassamento dei costi capitali del sistema. I risultati ottenuti sono applicabili a diversi componenti dei sistemi di ventilazione, tra cui aperture laterali, hood di scarico rotondi e fessurati, e tee di scarico asimmetriche. L'approccio di modellare e ottimizzare questi componenti ha un impatto diretto sulla riduzione del drag e sull'incremento dell'efficienza energetica.

Un ulteriore sviluppo di queste tecniche include l'esplorazione delle zone vortex secondarie e degli effetti della contaminazione, che rappresentano nuovi ambiti di ricerca per migliorare ulteriormente le prestazioni dei sistemi di ventilazione. Le applicazioni di questi metodi non sono limitate ai sistemi industriali, ma si estendono anche a impieghi specifici come l'ottimizzazione dei sistemi di ventilazione per ambienti di lavoro come i saloni di bellezza, dove la gestione delle polveri e degli agenti contaminanti è fondamentale.

Importante è comprendere che l'approccio vortex non solo riduce la resistenza all'aria, ma favorisce anche una maggiore uniformità del flusso all'interno dei condotti, riducendo fenomeni di turbolenza indesiderati che possono compromettere l'efficienza del sistema. Inoltre, la modellazione delle zone vortex offre una comprensione più profonda del comportamento dinamico dei fluidi all'interno di un sistema, che può portare a miglioramenti significativi nelle prestazioni complessive, senza la necessità di interventi costosi su larga scala.

Gli sviluppi futuri in questo campo potrebbero includere l'ampliamento degli studi alle componenti del sistema di ventilazione meno esplorate, come i raccordi complessi e le espansioni improvvise, e l'introduzione di nuove soluzioni per il trattamento delle contaminazioni. Un altro aspetto fondamentale sarà l'adozione di tecnologie più avanzate di simulazione, in grado di migliorare ulteriormente la precisione dei modelli numerici e di estendere la validità dei risultati a una gamma più ampia di condizioni operative.

Determinazione della Zona di Influenza e della LDC in Assemblaggi di Dotti

Quando si determina la LDC (Loss of Drag Coefficient) di assemblaggi (unità, nodi) costituiti da una successione di vari elementi, è necessario conoscere la lunghezza della cosiddetta “zona di influenza” (IZ). Nei sistemi dove le distanze tra gli elementi di raccordo superano la lunghezza della zona di influenza, la LDC totale può essere calcolata semplicemente sommando le LDC dei singoli componenti. La conoscenza della lunghezza della zona di influenza è fondamentale anche nella scelta dei punti di misurazione, un aspetto trattato in modo specifico in alcune normative come la GOST 12.3.018-79 OSSS (Normativa russa per la sicurezza nei luoghi di lavoro) e la UNI EN 12599:2012, che stabiliscono le modalità di test aerodinamici per i sistemi di ventilazione e la posizione delle sezioni di misurazione. Nonostante le indicazioni siano vaghe, si fa riferimento a posizionamenti che devono essere a "almeno due volte la lunghezza del misuratore prima del punto di perturbazione del flusso e almeno sei volte la lunghezza del misuratore dopo di esso".

Inoltre, Idel’chik (1992) fornisce dei coefficienti che tengono conto dell'influenza reciproca sulla LDC totale di assemblaggi costituiti da elementi di raccordo con diverse combinazioni, orientamenti e distanze. È evidente, in questo contesto, che tali elementi influenzeranno reciprocamente se la distanza tra loro diventa inferiore alla zona di influenza di ciascun elemento. Da un'analisi di alcune combinazioni di elementi, si può stimare che tale distanza sia dell'ordine di 10-20 volte la lunghezza del misuratore.

Un'analisi numerica del drag negli adattatori può determinare con grande precisione la lunghezza della zona di influenza. Questa viene determinata principalmente dalla distribuzione della pressione totale lungo la lunghezza del condotto con un adattatore come elemento di raccordo. Le principali scoperte di questo studio sulla distribuzione della pressione e i metodi per determinare le lunghezze della zona di influenza sono state pubblicate da Posohin et al. (2012, 2014), dove vengono identificate due metodologie principali: per asimmetria dei campi di velocità e per distribuzione del campo di pressione totale.

Un altro approccio che non presenta tali svantaggi è l'analisi della distribuzione della pressione totale (media su sezioni trasversali del condotto), che si rivela molto utile per determinare la lunghezza della zona di influenza. Come già menzionato, nell’ambito di tale analisi si identificano aree di comportamento lineare e non lineare della perdita di pressione specifica, che vengono ricavate dalla distribuzione della pressione totale lungo il condotto attraverso studi numerici. Per determinare la lunghezza della zona di influenza con maggiore precisione, vengono introdotte sezioni trasversali aggiuntive, se necessario, nei limiti di queste aree di comportamento differenziato. Le lunghezze della zona di influenza determinate per un gomito utilizzando questo metodo sono molto consistenti tra loro e supportano la conclusione che la zona di influenza a valle dell’elemento di raccordo è significativamente più lunga rispetto a quella a monte.

Nel caso di una geometria a Y, le sezioni trasversali KM, NQ, e QK definiscono i limiti dell’elemento perturbante, mentre una parte del condotto tra le sezioni NQ e OP costituisce la zona di influenza dell’elemento perturbante nel condotto principale a valle del punto di confluenza del flusso. Un'analisi della distribuzione della pressione lungo i rami del raccordo a Y evidenzia come la zona di influenza vari in base alla posizione e al comportamento della perdita di pressione specifica.

Quando si analizzano fenomeni complessi come la fusione o la divisione dei flussi in un sistema di ventilazione, è fondamentale considerare anche le implicazioni che tale suddivisione o unione può avere sulla distribuzione della pressione e sul comportamento del flusso all'interno dei condotti. La distribuzione della pressione, infatti, non solo fornisce informazioni sulle lunghezze delle zone di influenza, ma anche sui vari modi in cui le perturbazioni nel flusso si propagano e interagiscono, influenzando la performance complessiva del sistema.

Qual è l'effetto delle cappe di aspirazione sagomate sulle prestazioni di estrazione e sul consumo energetico?

Gli studi numerici e sperimentali mostrano che i valori di LDC per cappe fratturate e dritte sono significativamente inferiori rispetto ai sistemi con bocche di estrazione non sagomate, specialmente a lunghezze dei condotti superiori a 2D (dove D è il diametro del tubo). Nei casi in cui la lunghezza del condotto L/D sia inferiore a 2.3 per la cappa fratturata e 3.4 per la cappa dritta, si verifica una zona di separazione del flusso. In questa zona, le perdite di pressione per attrito non possono essere considerate e il flusso è esposto agli effetti di resistenza locali della cappa. Quando L/D raggiunge valori attorno a 4, i valori di LDC per entrambi i tipi di cappe corrispondono esattamente ai risultati ottenuti numericamente tramite CFD (computational fluid dynamics). A questi valori, il sistema raggiunge un comportamento stabile, con un miglioramento complessivo nell'efficienza energetica e nelle prestazioni di aspirazione.

Le misurazioni effettuate tramite miniprove di pressione hanno mostrato una buona correlazione con i risultati numerici, con coefficienti di correlazione lineare di r = 0.988 ± 0.007 per la cappa fratturata e r = 0.985 ± 0.008 per la cappa dritta. Questi risultati confermano che la riduzione della resistenza aerodinamica, grazie all'uso di cappe sagomate, riduce il drag complessivo del sistema di estrazione. Questo si traduce in un aumento della portata d'aria evacuata a parità di potenza della ventola, migliorando l'efficacia della cattura dei contaminanti e riducendo i costi operativi.

Inoltre, l'effetto della geometria della cappa sulla distribuzione della pressione nel strato limite è stato analizzato sia numericamente che sperimentalmente. Le distribuzioni di pressione misurate nelle cappe fratturate e dritte sono state confrontate con i risultati numerici, con una corrispondenza soddisfacente. Questo conferma che l'approccio numerico è un valido strumento per prevedere il comportamento del flusso d'aria nelle cappe sagomate.

L'uso delle cappe sagomate, quindi, non solo migliora l'efficienza del sistema di estrazione, ma rappresenta anche una soluzione sostenibile dal punto di vista energetico, riducendo il consumo di energia elettrica durante il funzionamento. Ciò è particolarmente rilevante in contesti industriali dove l'ottimizzazione dei costi energetici è un obiettivo prioritario. Inoltre, l'adozione di tali sistemi potrebbe ridurre il fabbisogno di manutenzione, dato che la resistenza ridotta al flusso potrebbe contribuire a un'usura minore del motore della ventola.

La progettazione di cappe di aspirazione sagomate deve comunque tener conto delle specifiche condizioni di utilizzo, come la velocità di aspirazione richiesta, la portata d'aria desiderata e le caratteristiche del sistema di ventilazione. La scelta del tipo di cappa, fratturata o dritta, dipenderà dalle esigenze specifiche del processo industriale, ma in ogni caso l'efficacia complessiva nella riduzione del consumo energetico e nell'ottimizzazione delle prestazioni del sistema sarà evidente.