UNI Ventilatori Industriali: Metodi di prova e di accettazione

Transcript

1 CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE Docente Prof. L. Postrioti UNI Ventilatori Industriali: Metodi di prova e di accettazione 1- Generalità La Norma descrive le procedure di prova delle prestazioni di ventilatori industriali, di qualunque configurazione (assiali, centrifughi, a flusso misto asso-radiale) e dimensione, con l eccezione delle macchine destinate alla sola movimentazione d aria in interni (ventilatori da tavolo e da soffitto). Il limite di applicazione è dato in termini di lavoro specifico conferito al fluido, pari a J/kg, corrispondenti ad un incremento di pressione pari a circa Pa. Al di sopra di questo limite, non si parla più di ventilatori o turbo soffianti ma, genericamente, di compressori. L effettuazione delle prove prevede l utilizzo di apparati sperimentali che devono assolvere alcune funzioni fondamentali: a) offrire uno standard preciso per le modalità di esecuzione dei test che garantisca la confrontabilità fra caratterizzazioni eseguite da diversi Enti; b) garantire l assenza di errori procedurali gravi (errato posizionamento dei punti di misura, utilizzo di formulazioni corrette e di ipotesi accettabili), c) consentire una corretta valutazione delle incertezze sperimentali; d) consentire l esplorazione della parte ritenuta significativa del campo di utilizzo della macchina (in termini, ad esempio, di velocità di rotazione e di contro-pressione allo scarico), compensando, se necessario, l intrusività del sistema di misura stesso sul funzionamento della macchina; e) garantire, pur nel rispetto dei punti precedenti, una modalità di funzionamento della macchina il più possibile simile a quella per cui la macchina stessa è stata concepita. L obiettivo della Norma é fornire delle prescrizioni allo sperimentatore per arrivare a costruire le curve caratteristiche della macchina (fig. 1), che descrivono la dipendenza dalla portata elaborata dalla pressione del UNIPG - CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE Anno Accademico 2006/2007 rev. 1 1/19

2 ventilatore (prevalenza per il peso specifico del fluido), della potenza assorbita e del rendimento della macchina. Queste curve, generalmente, sono tracciate per diversi regimi di rotazione della macchina oppure per diverse configurazioni della stessa (fig. 2). L esecuzione dei test secondo quanto prescritto dalla Norma garantisce una precisione complessiva, variabile a seconda del dispositivo scelto per la misura della portata, dell ordine del ± 2%. Figura 1 Curve caratteristiche di un ventilatore centrifugo, a giri costanti Figura 2 Curve caratteristiche di un ventilatore centrifugo, al variare dell angolo di calettamento. UNIPG - CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE Anno Accademico 2006/2007 rev. 1 2/19

3 La Norma prevede una varietà di procedure e di set-up di prova che dipendono, in ordine di importanza, da: 1. tipologia della macchina e di installazione; 2. metodologia scelta per la misura della portata elaborata dalla macchina. Per tipologia si intende essenzialmente il metodo di connessione della macchina con il resto dell impianto per quanto riguarda sia l aspirazione, sia la mandata. Sarà quindi necessario classificare la macchina in prova secondo una delle seguenti 4 categorie: Categoria A: macchine con aspirazione e mandata libera; Categoria B: macchine con aspirazione libera e mandata connessa ad una tubazione; Categoria C: macchine con aspirazione connessa ad una tubazione e mandata libera; Categoria D: macchine con aspirazione e mandata connesse a tubazioni; la filosofia generale, infatti, è quella di realizzare una sistema di prova che, per quanto standardizzato, rispecchi il più possibile le reali condizioni di utilizzo della macchina per questa è stata concepita. All interno di ciascuna categoria, poi, ulteriori influenze sul sistema sperimentale saranno determinate da altre caratteristiche generali della macchina quali la sua configurazione (assiale, centrifuga) e la sua taglia. Nell ambito di ciascuna delle quattro categorie di impianti sperimentali appena individuati, sono previste diverse configurazioni che prevedono la presenza dei diversi tipi di misuratori di portata ammessi dalla Norma. Questi possono essere divisi in due tipologie: Venturimetri Misuratori in linea Diaframmi Misuratori ad imbocco conico Boccagli Misuratori basati su traverse Tubo di Pitot La scelta della tipologia di misuratore della portata viene effettuata sulla base di seguenti criteri: disponibilità del misuratore e degli altri strumenti ad esso connessi; range ability di portata del misuratore in rapporto alla portata generata dalla macchina (numero di sensori necessari); perdite di carico generate dal sensore; incertezza di misura tipica del dispositivo di misura. 2 - Raccomandazioni di misura La Norma UNI 10531, preliminarmente alla descrizione delle specifiche procedure di prova, definisce accuratamente le modalità di misura e/o calcolo di tutte le grandezze di interesse per arrivare a definire le curve caratteristiche della macchina in prova, imponendo in particolare: UNIPG - CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE Anno Accademico 2006/2007 rev. 1 3/19

4 - le modalità di rilievo delle pressioni statiche; - le modalità di rilievo della temperatura; - le modalità di rilievo della pressione e umidità relativa ambientale; - le modalità di rilievo della velocità di rotazione della girante; - le modalità di rilievo della dimensioni e delle sezioni del sistema di prova; - le modalità di calcolo della densità, della costante di massa, della viscosità; - le modalità di misura della potenza elettrica conferita alla macchina; - le caratteristiche costruttive di parti comuni e normalizzate dell apparato sperimentale (raccordi, raddrizzatori di flusso etc.); - le modalità di misura della portata in massa elaborata dalla macchina (cfr. par. 3 e 4); - le incertezze ammesse per tutti i sensori utilizzati (cfr tabella 1). UNIPG - CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE Anno Accademico 2006/2007 rev. 1 4/19

5 Tabella 1 Incertezze di misura tollerate dalla Norma Uni UNIPG - CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE Anno Accademico 2006/2007 rev. 1 5/19

6 3 - Misuratori in linea I misuratori di portata in linea sono accomunati dal fatto di imporre all interna portata di fluido una variazione della sezione di flusso alla quale corrisponde, tra una sezione a monte dello strumento e la sezione di gola dello stesso, una differenza di pressione che può essere posta in relazione con la portata volumetrica secondo la: d Q = 2 αε 4 2ρ p con Q portata in massa, kg 3 /s; α coefficiente d efflusso del dispositivo; ε fattore di comprimibilità; d diametro gola del misuratore, m 2 ; ρ densità del fluido a monte del misuratore, kg/m 3 p differenza di pressione, Pa. (1) Le maggiori incertezze di misura sono evidentemente legate ai termini α ed ε, che assumono valori ed andamenti differenti a seconda del tipo di misuratore. In particolare, a causa della loro presenza il calcolo della portata è da considerare iterativo in quanto i valori gabellati per il coefficiente d efflusso α dei singoli tipi di misuratore é funzione del numero di Reynolds e quindi della portata stessa. Per quanto riguarda le perdite di carico indotte dal misuratore di portata, una valutazione di massima, utile nella fase di definizione dell apparato sperimentale, può essere condotta mediante il grafico riportato in fig. 3. Figura 3 Perdite di carico determinate dai vari tipi di misuratore in linea. UNIPG - CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE Anno Accademico 2006/2007 rev. 1 6/19

7 Dalla figura 3, dove è riportato il rapporto perdita di pressione/pressione dinamica a valle del misuratore in funzione del rapporto fra il diametro di gola dello strumento e il diametro della tubazione, si evince chiaramente che i diaframmi presentano perdite di carico decisamente superiori ai venturimetri. Questo aspetto è particolarmente importante in quanto la presenza di consistenti perdite di carico dovuta al misuratore di portata, può indurre ha una significativa limitazione nelle possibilità di verifica delle prestazioni della macchina in tutto il campo di lavoro di possibile interesse. Si consideri una tipica curva caratteristica portata-pressione quale quella rappresentata in fig. 1, a giri costanti: per spostarsi lungo la caratteristica, è necessario imporre una contropressione variabile alla mandata della macchina, ad esempio mediante una valvola di regolazione del flusso. La sperimentazione della macchine nel punto di massima portata (condizione detta a bocca aperta,dato dall intersezione della curva con l asse delle ascissse) nella quale la macchina non fornisce alcuna pressione statica è ottenibile solo mediante due soluzioni: - l adozione di un sistema di misura della portata che virtualmente non determini perdite i carico; - mediante l utilizzo di una soffiante ausiliaria (detta booster cfr più avanti) che compensi le perdite di carico generate dalla stessa presenza del misuratore di portata. In assenza di uno di questi due provvedimenti, il punto di minima contropressione sperimentabile sarà determinato proprio dalla curva caratteristica portata-prevalenza del misuratore di portata. Evidentemente questa situazione è tollerabile solo per alcune applicazioni, ad esempio per macchine che vengono utilizzate sempre in combinazione con dispositivi (filtri, silenziatori) che determinano consistenti perdite di carico. In applicazioni (ad esempio ventilatori industriali assiali) in cui la pressione del ventilatore è bassissima (centinaia di Pascal) non sono ammissibili configurazioni di prova che non consentano il reale funzionamento a bocca aperta. Il principale vantaggio dei misuratori di portata in linea, rispetto a quelli basati su traverse, risiede nella maggiore velocità di esecuzione della sperimentazione. Con i misuratori in linea, infatti, il rilievo del valore di portata è effettuato con una misura che riguarda l intera portata (salvo il caso dei boccagli multipli su parete piana, cfr. più avanti), e non è dato dalla valutazione del p medio in numerose stazioni di misura come nei metodi basati su traverse. Le diverse tipologie di misuratori ammessi dalla Norma (che a tale proposito richiama la UNI ISO 5167) sono: - Venturimetri (fig.4): questi dispositivi, tra i più diffusi per la misura della portata, possono essere inseriti nel sistema di misura secondo diverse configurazioni: in tubazione, in aspirazione, in aspirazione con griglia di regolazione (fig. 5). Il grado di precisione di misura ottenibile con questi dispositivi dipende dal tipo di posizionamento (tab. 1), ma in generale è difficile ottenere errori inferiori al ± 2 % del valore letto. - Boccagli ad arco di cerchio (fig. 5). - Boccaglio conico all aspirazione (fig 6). - Diaframmi normalizzati (fig 7). E la più comune alternativa ai Venturimetri. Si può ottenere un incertezza di misura dell ordine del ±1.5% - ±2%. UNIPG - CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE Anno Accademico 2006/2007 rev. 1 7/19

8 Figura 4 Venturimetro ISO. UNIPG - CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE Anno Accademico 2006/2007 rev. 1 8/19

9 Figura 4 Posizionamento del Venturimetro ISO e dei boccagli. Tabella 1 Incertezze di misura tipiche per Venturimetri ISO UNIPG - CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE Anno Accademico 2006/2007 rev. 1 9/19

10 Figura 5 Boccaglio ad arco di cerchio. Figura 6 Boccaglio conico al aspirazione. UNIPG - CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE Anno Accademico 2006/2007 rev. 1 10/19

11 Figura 7 Diaframmi normalizzati. UNIPG - CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE Anno Accademico 2006/2007 rev. 1 11/19

12 4- Misuratori basati su traverse Il misuratore basato su traverse più comune il Tubo di Pitot. Ne esistono diverse tipologie normalizzate (ad es. fig. 8). La Norma impone un rapporto massimo di 1/48 fra il diametro del Pitot e del condotto, oltre ad un numero di Mach massimo sul Pitot stesso di 0.2 ed un Re minimo di 500. Figura 8 Tubo di Pitot normalizzato. Il rilievo del p sul Pitot deve essere effettuato in un minimo di 24 punti sulla sezione, secondo fig. 9. Figura 9 Stazioni di misura del p sul Pitot. UNIPG - CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE Anno Accademico 2006/2007 rev. 1 12/19

13 Per il calcolo della velocità media equivalente sulla sezione del condotto, è necessario calcolare la quantità media p m secondo la: = n p m ( p i ) (2) n i la pressione differenziale media è pari cioè al quadrato della media delle radici quadrate delle n pressioni differenziali p i rilevate sulle 24 stazioni di misura. Analogamente, la pressione statica media sulla sezione p s,m all altezza del Pitot (con cui calcolare la densità del fluido) sarà data dalla (3): 1 = n n p s, m ps, i i (3) La portata in massa sarà quindi calcolata mediante la (4) Q d = π 2 αε 2ρ 4 p m (4) Anche in questo caso, il fattore di comprimibilità ε sarà calcolato in funzioni della pressione mentre il coefficiente α andrà calcolato iterativamente come funzione tabellata del numero di Reynolds. UNIPG - CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE Anno Accademico 2006/2007 rev. 1 13/19

14 5 Categorie di installazione ed impianti di prova Nel seguito si analizzano alcune installazioni tipiche per ciascuna delle categorie individuate nel paragrafo 1, facendo riferimento a tipologie comuni di ventilatori o turbosoffianti. Categoria A macchine con aspirazione e mandata libere. Per le macchine non connesse a tubazioni quale qelle di Categoria A (si faccia riferimento ad un ventilatore assiale industriale), è necessario utilizzare almeno una camera di prova che può essere posta o in aspirazione oppure in mandata. La camera di prova, la cui forma e le cui dimensioni sono parametrizzate rispetto alle caratteristiche della macchina, ha la funzione di garantire un affidabile riferimento per stabilire le condizioni di aspirazione e/o di mandata. Nel caso di camera di prova posta all aspirazione si possono avere 11 configurazioni per il set-up sperimentale (che si differenziano essenzialmente per il dispositivo di misura della portata). Se la camera di prova è posta alla mandata, sono previste due ulteriori possibili configurazioni. A titolo di esempio, in figura 10 si riportano le schematizzazioni previste nel caso di camera di prova posta all aspirazione se il misuratore è costituito da un venturimetro posto all aspirazione o nella tubazione; nella stessa figura 10, è schematizzato anche il set-up previsto in caso di utilizzo di un tubo di Pitot. Figura 10 Esempi di possibili installazioni in Cat A camera di prova a monte. UNIPG - CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE Anno Accademico 2006/2007 rev. 1 14/19

15 In ogni caso, si utilizza uno schema generale che vede la presenza di un dispositivo ( booster o serrande) regolabile per variare le perdite di carico, il misuratore di portata, una camera di prova. Questa è provvista di dispositivi atti a rallentare ed uniformare il flusso in maniera da poter assimilare le condizioni al suo interno ad una condizione statica di aspirazione per la macchina in prova: è quindi possibile misurare la pressione statica all interno della camera stessa ed assumere la differenza fra questa e la pressione ambiente come salto di pressione garantito dal ventilatore. Si noti che l intera camera di prova, con questa configurazione si trova in depressione. Per l effettuazione della prova, è necessario rilevare: - velocità di rotazione della ventola; - potenza assorbita; - pressione differenziale al misuratore di portata; - pressione statica a monte del misuratore di portata; - pressione statica nella camera di prova; - temperatura nella camera di prova; - pressione ambiente; - umidità relativa. Come esempio di camera di prova in mandata, si osservi la fig. 11. Figura 11 - Esempi di possibili installazioni in Cat A camera di prova in mandata. UNIPG - CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE Anno Accademico 2006/2007 rev. 1 15/19

16 Un venturimetro nella tubazione a valle della camera consente la misura della portata, mentre nella camera in mandata si realizzano le condizioni statiche richieste per la misura della pressione del ventilatore. Un ventilatore ausiliario a valle del sistema consente di compensare le perdite di carico del sistema di misura. Categoria B macchine con aspirazione libera e mandata connessa a tubazione. In questa categoria rientrano molte macchine industriali a flusso centrifugo. In genere, per questa categoria di impianti non sono necessarie camere di prova in quanto le misure di pressione possono essere fatte convenientemente nella tubazione di mandata nel quale è inserito un raddrizzatore di flusso. Per questa categoria di installazioni sono normalizzate 8 configurazioni di prova. In alternativa, se si dispone di una camera di calma da porre alla mandata, si possono effettuare al suo intero le misure di portata risultano normalizzate altre 2 possibili configurazioni di prova. A titolo di esempio, si osservino le schematizzazioni riportate in fig. 12 Figura 12 - Esempi di possibili installazioni in Cat B senza camera di prova. UNIPG - CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE Anno Accademico 2006/2007 rev. 1 16/19

17 Come si può osservare in fig. 12, è sempre presente un raddrizzatore di flusso ed un sistema di regolazione che consente la variazione del punto di funzionamento della macchina in prova lungo la caratteristica a velocità costante. E da notare che con le prime due configurazioni schematizzate in fig. 12, nn è necessaria la presenza di un booster per vincere le perdite di carico del sistema di misura. Categoria C macchine con aspirazione connessa ad una tubazione e mandata libera Sono classificabili in questa categoria molti estrattori industriali. Gli impianti idonei per la valutazione di macchine di questa categoria sono di due tipologie: - con semplice tubazione all aspirazione: il riferimento per la pressione in aspirazione è determinato direttamente nella tubazione. A Norma prevede 9 possibili configurazioni di misura di questa tipologia - con camera di misura all aspirazione: il ventilatore aspira da questa camera dove si stabiliscono le condizioni di monte. La Norma codifica 2 configurazioni di prova di questa tipologia. In figura 13 si riporta due esempi di configurazione del primo tipo. Figura 13 - Esempi di possibili installazioni in Cat C senza camera di prova. In figura 14 si riporta due esempi di configurazione categoria C con camera di prova (secondo tipo). UNIPG - CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE Anno Accademico 2006/2007 rev. 1 17/19

18 Figura 14 - Esempi di possibili installazioni in Cat C con camera di prova. Categoria D macchine con aspirazione e mandata connesse a tubazioni I sistemi idonei per la valutazione delle prestazioni di macchine di questa categoria possono essere considerati una combinazione di quelli visti in precedenza. Per completezza, in fig. 15 si riporta una schematizzazione di un apparato di questo tipo. UNIPG - CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE Anno Accademico 2006/2007 rev. 1 18/19

19 Figura 15 - Esempio di possibili installazioni in Cat D. UNIPG - CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE Anno Accademico 2006/2007 rev. 1 19/19