RETI DI DISTRIBUZIONE DEI FLUIDI Livio de Santoli, Francesco Mancini Università La Sapienza di Roma livio.desantoli@uniroma1.it francesco.mancini@uniroma1.it www.eeplus.it www.ingenergia.it
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.
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.
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.)
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
Progettazione di una rete di distribuzione 6 Primo passo: determinazione geometrica della rete e della sua collocazione in relazione all edificio 19 18 11 10 17 16 9 8 15 14 7 6 13 12 5 4 1 0 2
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 1.200 0-1 Tratto rettilineo 3,9 1.200 1 Diramazione - 1.200 1-2 Tratto rettilineo 3,3 600 2 Curva a 90-600 2-4 Tratto rettilineo 3,0 600 1-12 Tratto rettilineo 3,0 600 4 Diramazione - 600 12 Diramazione - 600 4-5 Tratto rettilineo 1,0 150 12-13 Tratto rettilineo 1,0 150 5 Bocchetta - 150 13 Bocchetta - 150 4-6 Tratto rettilineo 3,0 450 12-14 Tratto rettilineo 3,0 450 6 Diramazione - 450 14 Diramazione - 450 6-7 Tratto rettilineo 1,0 150 14-15 Tratto rettilineo 1,0 150 7 Bocchetta - 150 15 Bocchetta - 150 6-8 Tratto rettilineo 3,0 300 14-16 Tratto rettilineo 3,0 300 8 Diramazione - 300 16 Diramazione - 300 8-9 Tratto rettilineo 1,0 150 16-17 Tratto rettilineo 1,0 150 9 Bocchetta - 150 17 Bocchetta - 150 8-10 Tratto rettilineo 3,0 150 16-18 Tratto rettilineo 3,0 150 10 Curva a 90-150 18 Curva a 90-150 10-11 Tratto rettilineo 1,0 150 18-19 Tratto rettilineo 1,0 150 11 Bocchetta - 150 19 Bocchetta - 150
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
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)
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 1.200 0-1 Tratto rettilineo 1.200 3,9 0,75 4,3-2,9 1 Diramazione 1.200 - - 4,3 1,5 16,6 1-12 Tratto rettilineo 600 3,0 0,68 3,5 2,0 12 Diramazione 600-3,5 1,5 11,0 12-13 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 1.200 0-1 Tratto rettilineo 1.200 3,9 0,75 4,3-2,9 1 Diramazione 1.200 - - 4,3 1 11,0 1-2 Tratto rettilineo 600 3,3 0,68 3,5 2,2 2 Curva a 90 600 0 3,5 1 7,3 2-4 Tratto rettilineo 600 3 0,68 3,5 2,0 4 Diramazione 600 3,5 0,7 5,1 4-6 Tratto rettilineo 450 3 0,38 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 3,0 8-10 Tratto rettilineo 150 3,0 0,44 2,1 1,3 10 Curva a 90 150-2,1 1 2,6 10-11 Tratto rettilineo 150 1,0 0,44 2,1 0,4 11 Bocchetta - 150 2,1 0,5 1,3 Totale p d [Pa] p c [Pa] 11,4 33,1 44,5
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
Progettazione di una rete di distribuzione 12 Ø250
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 40-50 C Acqua a 80-90 C Acqua a 120-180 C molto estesa 20 C 60 C estesa 15 C 50 C normale 5 C 10 C 10-15 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
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 100-200 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
Rete di tubazioni per la distribuzione dell acqua 15 500.000 0,8 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 300.000 200.000 100.000 0,6 m/s Portata d'acqua [L/h] 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000 5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 500 400 300 200 100 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" 10 20 30 40 50 60 100 140 200 300 400500 1000 2000 3000 5000 0,4 m/s Perdita di carico distribuita [Pa/m]
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 90 2 1,5 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
Rete di tubazioni per la distribuzione dell acqua 17
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 7 8 10 canali principali 4 6 8 canali secondari 3 4 5 Tronchi 2,5 3 4
Rete di canalizzazioni per la distribuzione dell aria 19 200.000 10 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 120.000 100.000 60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 Ø2000 Ø1750 Ø1500 Ø1250 Portata d'aria [m 3 /h] 12.000 10.000 5.000 4.000 3.000 2.000 1.200 1.000 Ø1000 Ø800 Ø630 Ø500 Ø400 Ø160 500 400 300 Ø315 Ø250 Ø125 Ø100 200 120 100 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 60 50 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 1,0 1,2 2 3 4 5 6 7 10 12 14 20 Perdita di carico distribuita [Pa/m]
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] 150 200 250 300 350 400 450 500 250 210 244 273 300 228 266 299 328 350 245 286 322 354 362 400 260 304 343 371 408 437 450 274 321 363 399 433 463 491 500 287 337 381 426 455 488 518 546 550 299 351 397 439 476 511 543 573 600 310 365 413 457 496 533 566 598 650 321 378 428 474 515 553 588 622 700 331 390 443 490 533 573 610 644 750 340 402 456 505 550 591 630 666 800 350 413 469 520 566 610 649 686 850 359 424 482 534 582 626 667 706 900 367 434 494 548 583 643 685 725 950 375 444 505 560 611 658 702 744 1000 383 454 517 573 625 674 719 761
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 Rete di canalizzazioni per la distribuzione dell aria