RETI DI DISTRIBUZIONE DEI FLUIDI

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1 RETI DI DISTRIBUZIONE DEI FLUIDI Livio de Santoli, Francesco Mancini Università La Sapienza di Roma

2 Introduzione E necessario stabilire le dimensioni fisiche del condotto e le caratteristiche dell apparecchiatura (pompa o ventilatore) necessaria a sostenere il moto Il dimensionamento di un condotto e delle apparecchiature connesse è il frutto di un processo di ottimizzazione tra esigenze contrapposte Il dato di input per il dimensionamento è la portata (G) che deve attraversare una generica sezione (di area S) del condotto 2 S G S v v I vantaggi di avere una sezione piccola sono: - basso costo dei condotti, in virtù di dimensioni complessivamente minori; - ridotta estensione degli spazi tecnici necessari e quindi facile collocazione. Gli svantaggi di avere una sezione piccola sono: - alta velocità del fluido, con possibile trasmissione di vibrazioni e rumore; - attrito elevato tra il fluido ed il condotto con conseguenti alti costi per mantenere il fluido in movimento.

3 Le perdite di pressione per attrito 3 Il moto di un fluido in un condotto è possibile soltanto se, tra la sezione di ingresso e la sezione di uscita, esiste una differenza di pressione che è uguale alla somma della variazione di energia cinetica (che può essere positiva o negativa), della variazione di energia potenziale (che può essere positiva o negativa) e della perdita di pressione per attrito (sempre positiva). La perdita di pressione per attrito, detta anche perdita di carico e individuata di solito con p, è composta: o da una parte distribuita su tutta la linea ( p d ) dovuta all interazione fra fluido e pareti; o da una parte concentrata in corrispondenza delle discontinuità del circuito ( p c ) dovuta a cambiamenti di direzione o alla presenza di ostruzioni lungo tratti molto piccoli di condotto.

4 Le perdite di carico distribuite e concentrate 4 p d L v 2 2 f D - f è il fattore di attrito (adimensionale); - è la massa volumica del fluido [kg/m 3 ]; - v è la velocità media del fluido [m/s]; - L è la lunghezza del condotto [m]; - D è il diametro del condotto [m]. Fattore di attrito determinato con appositi diagrammi o per via analitica Dipende da numerosi fattori: o dalla massa volumica del fluido; o dalla viscosità del fluido; o dalla velocità del fluido nel condotto; o dal diametro del condotto; o dalla scabrezza (assoluta o relativa del condotto), funzione del tipo di materiale e di lavorazione delle tubazioni e dello stato di manutenzione p c v 2 2 il coefficiente è stabilito in base al particolare tipo di perdita, ed è tabulato per gli elementi circuitali più comuni (curve, diramazioni, ecc.)

5 Progettazione di una rete di distribuzione 5 Primo passo: determinazione geometrica della rete e della sua collocazione in relazione all edificio Non esiste una regola per questa fase, ma delle avvertenze da seguire: 1. collocazione delle centrali contenenti le apparecchiature di distribuzione (pompe e ventilatori) possibilmente baricentrica all edificio al fine di limitare l estensione delle reti; tale collocazione non dovrà occupare spazi pregiati dell edificio 2. corretta collocazione delle apparecchiature più pesanti, al fine di non compromettere la stabilità delle strutture dell edificio, eventualmente impiegando sistemi di ripartizione dei carichi 3. giusta attenzione al problema del rumore e delle vibrazioni trasmessi dalle apparecchiature agli ambienti limitrofi, eventualmente impiegando barriere fonoisolanti e sistemi ammortizzatori

6 Progettazione di una rete di distribuzione 6 Primo passo: determinazione geometrica della rete e della sua collocazione in relazione all edificio

7 Progettazione di una rete di distribuzione 7 Secondo passo: determinazione della portata per ogni tratto, procedendo con la ripartizione delle portate in funzione delle esigenze di ogni ambiente Prestare attenzione alla giusta ripartizione qualora la stessa rete sia preposta ad assolvere a più requisiti contemporaneamente o in stagioni diverse (rete di canalizzazioni che distribuisce aria per controllare qualità dell aria, umidità relativa e temperatura, oppure rete di tubazioni per ventilconvettori a due tubi) Id. Tipo Lunghezza [m] Portata [m 3 /h] Id. Tipo Lunghezza [m] Portata [m 3 /h] 0 Inizio canalizzazione Tratto rettilineo 3, Diramazione Tratto rettilineo 3, Curva a Tratto rettilineo 3, Tratto rettilineo 3, Diramazione Diramazione Tratto rettilineo 1, Tratto rettilineo 1, Bocchetta Bocchetta Tratto rettilineo 3, Tratto rettilineo 3, Diramazione Diramazione Tratto rettilineo 1, Tratto rettilineo 1, Bocchetta Bocchetta Tratto rettilineo 3, Tratto rettilineo 3, Diramazione Diramazione Tratto rettilineo 1, Tratto rettilineo 1, Bocchetta Bocchetta Tratto rettilineo 3, Tratto rettilineo 3, Curva a Curva a Tratto rettilineo 1, Tratto rettilineo 1, Bocchetta Bocchetta - 150

8 Progettazione di una rete di distribuzione Terzo passo: determinazione delle dimensioni della sezione di ogni tratto di circuito e individuazione dei punti singolari del circuito Saranno determinare anche le perdite di carico concentrate e distribuite di ogni tratto o punto singolare del circuito. Legame tra la portata del fluido, la sezione, la velocità e la perdita di carico: due sole di tali variabili sono indipendenti I circuiti potranno essere dimensionati a partire dalla portata e da una variabile a scelta tra velocità e perdita di carico distribuita Prima il circuito più sfavorito (solitamente il più lungo), poi gli altri 8

9 Progettazione di una rete di distribuzione 9 Quarto passo: si calcolano le perdite di carico di ognuno dei circuiti, sommando le perdite di carico distribuite e concentrate Ben difficilmente si otterranno perdite di carico uguali per i diversi circuiti, come richiesto dall unicità dell apparecchiatura di circolazione; di solito i circuiti più corti hanno perdite di carico complessivamente minori Il risultato di questa incongruenza è facilmente intuibile: il circuito che offre minore resistenza totale avrà una portata maggiore degli altri circuiti Necessità di equilibrare la rete di distribuzione cioè di fare in modo che le cadute totali di pressione in tutti i percorsi dei vari circuiti siano eguali e pari a quelle di progetto Si dovranno introdurre opportune valvole di taratura che provocano perdite di pressione localizzate (note e regolabili) in punti ben precisi della rete (diramazioni principali, terminali)

10 Progettazione di una rete di distribuzione 10 Id. Tipo Portata [m 3 /h] L [m] Perdita di carico distribuita [Pa/m] Velocità [m/s] 0 Inizio canalizzazione Tratto rettilineo ,9 0,75 4,3-2,9 1 Diramazione ,3 1,5 16, Tratto rettilineo 600 3,0 0,68 3,5 2,0 12 Diramazione 600-3,5 1,5 11, Tratto rettilineo 150 1,0 0,44 2,1 0,4 13 Bocchetta 150-2,1 0,5 1,3 Totale p d [Pa] p c [Pa] 5,3 28,9 34,2 Id. Tipo Portata [m 3 /h] L [m] Perdita di carico distribuita [Pa/m] Velocità [m/s] 0 Inizio canalizzazione Tratto rettilineo ,9 0,75 4,3-2,9 1 Diramazione ,3 1 11,0 1-2 Tratto rettilineo 600 3,3 0,68 3,5 2,2 2 Curva a ,5 1 7,3 2-4 Tratto rettilineo ,68 3,5 2,0 4 Diramazione 600 3,5 0,7 5,1 4-6 Tratto rettilineo ,38 2,6 1,1 6 Diramazione 450 2,6 0,7 2,8 6-8 Tratto rettilineo 300 3,0 0,53 2,7 1,5 8 Diramazione 300-2,7 0,7 3, Tratto rettilineo 150 3,0 0,44 2,1 1,3 10 Curva a ,1 1 2, Tratto rettilineo 150 1,0 0,44 2,1 0,4 11 Bocchetta ,1 0,5 1,3 Totale p d [Pa] p c [Pa] 11,4 33,1 44,5

11 Progettazione di una rete di distribuzione 11 Quinto passo: scelta dell apparecchiatura necessaria a sostenere il moto del fluido (pompa o ventilatore), che dovrà inviare alla rete la portata richiesta e che dovrà fornire la prevalenza necessaria a vincere le perdite di carico della rete Eventualmente, potranno essere adoperate più apparecchiature, in parallelo o in serie a seconda delle necessità

12 Progettazione di una rete di distribuzione 12 Ø250

13 Rete di tubazioni per la distribuzione dell acqua 13 La portata di acqua per il dimensionamento si calcola in base alla potenza termica dei terminali, considerando la portata maggiore in caso di uso promiscuo o cambio stagionale (es. le tubazioni di un impianto con ventilconvettori a due tubi) Q m c p T - m è la portata in massa di acqua [kg/s] - c p è il calore specifico a pressione costante, pari a 4,186 [kj/kgk] - T è la differenza tra la temperatura di andata e di ritorno Rete di distribuzione Acqua a 5-10 C Acqua a C Acqua a C Acqua a C molto estesa 20 C 60 C estesa 15 C 50 C normale 5 C 10 C C caduta di temperatura Vs. portata Al crescere di T diminuisce peso tubazioni, prevalenza e potenza, aumentano dimensioni elementi terminali La portata si calcola a partire dal terminale, procedendo a monte (verso la pompa di circolazione) e sommando le portate in tratti di circuito comuni a più terminali Al crescere del numero di terminali considerati, potrà essere applicato un coefficiente di contemporaneità

14 Rete di tubazioni per la distribuzione dell acqua 14 Nel caso di dimensionamento a perdita di carico distribuita costante è consigliabile assumere per tale perdita un valore di circa Pa/m Nel caso di dimensionamento in funzione della velocità la tabella riporta le velocità consigliate in [m/s] Materiale Acciaio Rame Tubazioni principali 1,5-2,5 m/s 0,9-1,2 Tubazioni secondarie 0,5-1,5 0,5-0,9 Derivazioni ai terminali 0,3-0,5 0,3-0,5

15 Rete di tubazioni per la distribuzione dell acqua ,8 m/s 1,0 m/s 1,4 m/s 1,2 m/s 2,0 m/s 1,8 m/s 1,6 m/s 2,5 m/s 3,0 m/s 3,5 m/s 4,0 m/s ,6 m/s Portata d'acqua [L/h] Ø6" Ø5" Ø4" Ø3" Ø2 1/2" Ø2" Ø1 1/2" Ø1 1/4" Ø1" Ø3/4" Ø1/2" 0,2 m/s Ø3/8" ,4 m/s Perdita di carico distribuita [Pa/m]

16 Rete di tubazioni per la distribuzione dell acqua 16 Valori del coefficiente di perdita localizzata per alcuni elementi circuitali Diametro tubi Tipo Caratteristiche 3/8 1/2 3/4 1 > 1 1/4 gomito a ,5 1 doppio gomito a 180 curve a 90 diramazione o confluenza T ad angolo retto 3 2 1,5 r/d = 1,5 2 1,5 1 r/d = 2,5 1,5 1 0,5 r/d=5 1 0,5 0,3 per il tronco che si dirama ad angolo retto 1,5 per il tronco che nella diramazione non cambia direzione 0 per il tronco che confluisce ad angolo retto 1 per il tronco che nella confluenza non cambia direzione 0,5 per i due tronchi in uscita 3 per il tronco in ingresso 0 per i due tronchi in ingresso 3 per il tronco in uscita 0 metà dei valori previsti con T

17 Rete di tubazioni per la distribuzione dell acqua 17

18 Rete di canalizzazioni per la distribuzione dell aria 18 Nel caso di dimensionamento a perdita di carico distribuita costante è consigliabile assumere per tale perdita un valore di circa 1-2 Pa/m Nel caso di dimensionamento in funzione della velocità la tabella riporta le velocità consigliate in [m/s] Utenza Residenziale Pubblica Industriale presa aria esterna 2,5 2,5 2,5 bocca premente ventilatore canali principali canali secondari Tronchi 2,5 3 4

19 Rete di canalizzazioni per la distribuzione dell aria m/s 9 m/s 8 m/s 12 m/s 20 m/s 18 m/s 16 m/s 14 m/s 25 m/s 30 m/s Ø2000 Ø1750 Ø1500 Ø1250 Portata d'aria [m 3 /h] Ø1000 Ø800 Ø630 Ø500 Ø400 Ø Ø315 Ø250 Ø125 Ø Ø200 1,5 m/s 2,0 m/s 2,5 m/s 3,0 m/s 4,0 m/s 5,0 m/s 6,0 m/s Ø80 7,0 m/s ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 1,0 1, Perdita di carico distribuita [Pa/m]

20 Rete di canalizzazioni per la distribuzione dell aria 20 Per canali rettangolari, si dovranno scegliere sezioni equivalenti Diametro equivalente è il diametro di un condotto circolare capace di causare la stessa perdita di pressione con uguale portata d aria e coefficiente di attrito D e 1,3 0,625 a b a b 0, 250 b [mm] a [mm]

21 Rete di canalizzazioni per la distribuzione dell aria 21 Valori del coefficiente di perdita localizzata per alcuni elementi circuitali tipo caratteristiche Cambiamento di lenta variazione a mezzo divergente 0 sezione brusca variazione 0,5 Cambiamento di con angolo 90, canale circolare o quadrato 1,5 direzione con angolo 90, canale rettangolare 2 con angolo 90 arrotondato 1 con angolo 135 0,5 con angolo 90, r/d<5 (r raggio di raccordo, D diam. equiv.) 0,3 Confluenza o diramazione Batterie di scambio termico Bocchette e griglie con angolo 90, r/d>5 (r raggio di raccordo, D diam. equiv.) 0 canale deviato di diametro D con raccordo 1,5 canale non deviato di diametro d=d 1 canale non deviato di diametro d>1,5d 0,7 canale non deviato di diametro d>2d 0,4 canale non deviato di diametro d>3d 0,2 canale non deviato di diametro d>4d 0 confluenza o diramazione a T 3 confluenza o diramazione raccordata 1 per rango 3,5 con sezione libera uguale a quella del canale 2 rapporto sezione libera/sezione canale = 1,5 0,5

22 22 Rete di canalizzazioni per la distribuzione dell aria

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