Come evitare danni costosi all’impianto con il calcolo delle perdite di carico sulle tubazioni dell’aria

L’impianto di aspirazione è un sistema importante nelle realtà aziendali. Per questo motivo, non è da trascurare la scelta delle tubazioni e delle ventole. Il calcolo delle perdite di carico è il primo passo – e il più importante – per procedere ad acquistare correttamente i ventilatori per il proprio impianto ed evitare di generare danni costosi a tutto l’impianto.
La somma dei risultati del calcolo delle perdite di carico delle tubazioni (come spiegato su https://ventilazionesicura.it/) è strettamente collegata alla pressione necessaria alla ventola affinché il sistema funzioni correttamente. Bisogna considerare questo parametro durante l’acquisto di un ventilatore.
Non bisogna sottovalutare le perdite di carico delle tubazioni poiché quando non si considerano nel modo adeguato, il ventilatore scelto potrebbe non riuscire a generare abbastanza portata nell’impianto, oppure potrebbe rischiare di mandare in blocco il motore assorbendo una potenza maggiore di quella necessaria.
In sintesi, conoscere questi valori permette di:

• determinare le caratteristiche dei ventilatori e delle pompe;
• individuare il giusto dimensionamento dei condotti del sistema di convogliamento.

Calcolando in modo corretto le perdite di carico si potranno evitare danni costosi al proprio impianto di aerazione ed evitare, in questo modo, di dover rimediare a qualcosa a cui si sarebbe potuto pensare prima.
Di seguito, verrà spiegato in modo molto dettagliato cosa si intende per perdite di carico delle tubazioni dell’aria, quali tipologie esistono e i metodi per calcolarle.

Che cosa sono le perdite di carico

Le perdite di carico delle tubazioni dell’aria sono perdite di pressione dovute agli attriti che si generano all’interno delle stesse e si oppongono al moto di un fluido. Le leggi che regolano il moto di un fluido, tuttavia, non sono universali, ovvero non sono valide in ogni caso: il movimento di un fluido varia in base alla sua densità, viscosità e velocità e alla dimensione del tubo in cui si sposta. Infatti, il regime di moto del fluido può essere:

• turbolento: in questo caso il moto è instabile e disordinato, le particelle si muovono in modo confusionario, senza una traiettoria precisa, e variabile nel tempo;
• laminare: in questo caso il moto è calmo e regolare e le particelle percorrono traiettorie lineari e tra di loro parallele;
• transitorio: in questo caso il moto corrisponde a una via di mezzo tra le due precedenti.

Per definire il regime di moto di un fluido si utilizza il numero di Reynolds, di cui si parlerà più avanti nel corso dell’articolo.

Le due tipologie di perdite di carico

Le resistenze che si creano all’interno dei condotti vengono chiamate perdite di carico delle tubazioni e dipendono da due diversi fattori. Si possono avere perdite di carico concentrate oppure perdite di carico distribuite.

Le perdite di carico concentrate

Le perdite di carico concentrate sono perdite localizzate, ovvero si manifestano in corrispondenza di particolari pezzi delle tubature. Solitamente avvengono quando il fluido incontra cambiamenti di direzione, sezioni di passaggio, riduzioni, raccordi, confluenze, valvole, ecc. In questi casi speciali, il gas subisce un distacco dal tubo, ovvero si allontana dalla superficie della tubazione. Questo determina un forte aumento della resistenza che l’aria incontra. Di solito, questo tipo di perditesono molto più comuni di quelle distribuite.

Le perdite di carico distribuite

Le perdite di carico distribuite sono dovute semplicemente agli attriti che il fluido genera durante il suo passaggio nelle tubazioni. Questo perché, in questo caso, il gas si muove in modo uniforme nelle condotte. Dunque, l’unico responsabile della perdita di carico sarà l’attrito, generato dalla superficie non perfettamente liscia delle tubature. Si definiscono perdite di carico distribuite perché, a differenza delle perdite di carico concentrate, si verificano per tutta la superficie e lunghezza della tubazione.

Come calcolare le perdite di carico in modo corretto

Per quanto riguarda il calcolo delle perdite di carico esiste una formula utile che moltiplica il coefficiente di perdita per la densità del gas e la sua velocità. Svolgendo questa formula, si può ottenere la perdita di carico delle tubazioni. Essa deriva dall’equazione di Bernoulli e prende in considerazione la differenza di carico idraulico tra due punti del condotto. Quando questa differenza è negativa si parla, quindi, di perdita di carico. Quando è positiva si parla, invece, di prevalenza o forza idro-motrice.
In sintesi, ciò che succede all’interno dei condotti è che quando un gas viene messo in moto da un ventilatore, si generano delle resistenze che generano un calo del valore di pressione che il fluido possiede. Come si è visto queste resistenze sono dovute a perdite di carico di tipo continuo o di tipo localizzato.

Errori da evitare per non fare un calcolo delle perdite di carico sbagliato

Oltre a ciò che si è già detto, ovvero a non acquistare un ventilatore ancora prima di effettuare un calcolo delle perdite di carico, ci sono altre accortezze a cui bisogna prestare attenzione.
Prima di tutto, è necessario diffidare di tutte quelle persone che offrono scorciatoie per un calcolo che facile non è e non può essere risolto con pochi conti. Infatti, navigando su Google si possono trovare tantissimi risultati che promettono semplici soluzioni. Sono in circolo sul web delle tabelle che pretendono di fornire per ogni componente delle tubazioni un coefficiente pronto all’uso. O addirittura si possono trovare dei siti che tramite l’inserimento di qualche dato sarebbero – teoricamente – in grado di calcolare il valore della perdita di carico in pochi secondi.
Tuttavia, queste sono soluzioni che non si dovrebbero prendere nemmeno in considerazione perché è vero che promettono un risparmio notevole di tempo, ma si tratta di soluzioni superficiali e scorciatoie che possono portare ad errori molto costosi e dannosi per l’ambiente aziendale.
Bisogna, perciò, tenere presente che i calcoli effettuati tramite l’utilizzo di tabelle e grafici preconfezionati sono da considerare solo come preliminari. Per questo motivo devono essere utilizzati solo per orientarsi e farsi un’idea, ma non come calcolo definitivo.
Sono senz’altro strumenti che vengono molto spesso utilizzati, ma non vanno presi come corretti a prescindere. Sarà necessario effettuare molti accertamenti prima di considerare giusto il calcolo effettuato. La strada manuale è sempre preferibile.

Calcoli preliminari con tabelle e grafici

Dei metodi preliminari per eseguire il calcolo delle perdite di carico possono essere la consultazione di tabelle con i coefficienti, i grafici o i software. Tuttavia, ricordiamo che si tratta solo di calcoli da prendere con le pinze, in quanto potrebbero non essere corretti e portare a danni costosi e dannosi.
Un limite nell’utilizzo di tabelle con coefficienti risiede nel fatto che solitamente i coefficienti che vengono applicati nelle formule e che si trovano su internet non riportano i coefficienti reali di perdita, ma quelli tradizionali o raccomandati. Bisogna ricordare che lo stesso tipo di tubazione può avere diversi coefficienti di perdita, anche dovuti al fatto che il tragitto delle condotte non è lineare.

Nel caso di una singola tubatura rettilinea il danno sarà minimo (ma non per questo sarà trascurabile). Tuttavia, quando si tratta di un sistema di aerazione formato da curve, raccordi, riduzioni, deviazioni è importante prestare molta attenzione poiché si potrebbe generare un grandissimo errore nel calcolo delle perdite di carico delle tubazioni dell’aria. Questo errore potrebbe portare all’acquisto di un ventilatore non adeguato all’esigenza di aspirazione, ovvero potrebbe non essere capace di muovere la portata di gas di cui si ha necessità.
Ad oggi esistono software intelligenti in grado di aiutare chiunque nel calcolo delle perdite di carico dell’aria che possono migliorare i tempi di valutazione. Essi sono in grado di fornire dati molto più dettagliati di quelli che si potrebbero ottenere procedendo con un calcolo manuale. Un limite all’utilizzo dei software è il fatto che richiedono la disponibilità di un modello tridimensionale del percorso delle tubazioni. Tuttavia, se ci si trova all’inizio della creazione del proprio impianto di aerazione è bene considerare l’opportunità di investire denaro e tempo nella realizzazione di un modello tridimensionale dell’impianto. Questo garantirà un enorme vantaggio successivamente ed eviterà danni costosi all’impianto.

Se, invece, non si possiede un modello tridimensionale del percorso delle tubazioni e non si è intenzionati a spendere per ottenerne uno è possibile procedere con il metodo manuale in quattro fasi.
Questo metodo è da considerarsi anche molto più affidabile rispetto all’utilizzo di queste scorciatoie veloci. Questo perché si andranno a considerare tutte le fasi e le singole caratteristiche di ogni tubazione e di ogni punto di raccordo e deviazione dei condotti.

Il metodo matematico in quattro fasi

Il metodo matematico consente di effettuare il calcolo delle perdite di carico dell’aria in quattro fasi. Bisogna ricordare che, in questo caso, sarà necessario procedere a calcolare sia le perdite di carico concentrate che quelle distribuite. Per ottenere il risultato finale si dovranno sommare tutte le perdite nel tragitto prima e dopo dove sarà posizionato il ventilatore. Infatti, per procedere all’acquisto di un ventilatore idoneo è essenziale conoscere non solo la portata necessaria ad aspirare, ma anche il valore di depressione che subirà durante l’aspirazione.
Per procedere nel calcolo sarà necessaria l’esistenza di almeno una bozza del percorso dell’impianto di aerazione. Questo perché per procedere nelle operazioni matematiche è importante conoscere le lunghezze, il numero di curve (o deviazioni, riduzioni, ecc.) e il diametro di ogni tubazione.
In sintesi, ciò che è importante considerare per procedere al calcolo matematico delle perdite di carico sono:

• la quantità di curve presenti nel percorso dei condotti;
• i punti di aspirazione;
• le lunghezze delle tubazioni continue, ovvero rettilinee;
• gli ostacoli a cui i condotti vanno incontro;
• i cambi di sezione, come ad esempio le riduzioni.

Detto ciò, si possono illustrare i quattro passi per effettuare il calcolo matematico.

Il calcolo della velocità dell’aria nei canali

Il primo step riguarda il calcolo della velocità dell’aria nei canali. La formula è abbastanza semplice: basta fare il rapporto tra il valore della portata (Q) – solitamente espressa in mc/h – e la sezione del tubo (A) – solitamente espressa in mq.
Naturalmente questo calcolo sarà necessario rifarlo ogni qualvolta la sezione A o il valore della portata Q cambino a causa di varie confluenze in uno stesso collettore.

Il calcolo del numero di Reynolds

Come si diceva precedentemente, esistono tre diversi regimi di moto di un fluido. Il numero di Reynolds serve proprio ad individuare la turbolenza di un fluido nelle tubazioni. Il numero di Reynolds è direttamente proporzionale alla velocità (v) – espressa in m/s – per il diametro (D) – espresso in m – ed inversamente proporzionale alla viscosità cinematica – espressa in mq/s. In relazione a questo valore, si avrà un moto:

• laminare quando il parametro è minore o uguale a 2.000;
• transitorio quando il parametro è compreso fra 2.000 e 10.000;
• turbolento quando il parametro è maggiore di 10.000.

Per il calcolo del diametro è consigliabile utilizzare il diametro equivalente o diametro idraulico a causa della natura geometrica variabile che possono avere le tubazioni.

Il calcolo del coefficiente di perdita distribuita

Adesso è possibile calcolare il coefficiente di perdita distribuita, ovvero quello dovuto all’attrito dei singoli componenti della tubazione. Esso si calcola moltiplicando lambda, il fattore di attrito, per il rapporto tra la lunghezza del tratto di tubazione (l) e il diametro interno (D). Il fattore di attrito dipende dal numero di Reynolds e dalla rugosità della superficie della tubazione. In poche parole, è necessario conoscere quanto è ruvida una parete. È possibile desumere la ruvidità, definita scabrezza relativa, di una superficie in base al materiale di cui è fatta e il relativo diametro. La rugosità di una parete è definita anche scabrezza assoluta. In generale ci sono dei dati universali che è possibile consultare, ma se si sta utilizzando una particolare tubatura sarà necessario richiedere il valore di scabrezza assoluta al fornitore.
Una volta ottenuto il valore della scabrezza relativa si può ottenere il valore del fattore di attrito, consultando il diagramma di Moody, molto utilizzato dagli studiosi di meccanica dei fluidi. Sull’asse delle ascisse si trova il numero di Reynolds, mentre su quello delle ordinate si trova il valore della rugosità relativa. Incrociando i due valori ottenuti precedentemente è possibile individuare sul grafico il valore di lambda e inserirlo nella formula spiegata in questo passaggio.

Il calcolo delle perdite di carico concentrate

Per effettuare il calcolo delle perdite di carico concentrate è necessario individuare ogni probabile fonte di perdita di carico concentrata. Come si è detto nel corso dell’articolo possibili motivi di perdita possono essere:

• curve a 90°/60°/45°/30°/15° delle quali si considererà il raggio e il tipo;
• riduzioni,
• derivazioni,
• raccordi di transizione,
• confluenze,
• valvole,
• filtri e scambiatori,
• scarichi in atmosfera e prese di aspirazione, ecc.

Generalmente quando si tratta di filtri e scambiatori, o in linea di principio di articoli acquistati, sarà il fornitore a dichiarare il valore di perdita di carico dei suoi prodotti.
Quando ciò non avvenisse, bisogna procedere a calcolare le perdite di carico concentrate in modo manuale grazie a una formula matematica abbastanza complessa.

Errori da evitare per calcolare correttamente le perdite di carico concentrate

A questo proposito, ci sono delle accortezze che è possibile prendere in sede di progettazione dell’impianto di aerazione per quanto minimizzare le perdite di carico concentrate. Infatti, molti dei problemi di malfunzionamento dei sistemi di aerazione sono dovuti a stime troppo approssimative del calcolo delle perdite di carico dell’aria.

Le perdite di carico concentrate sono troppo ravvicinate

È senz’altro vero che uno dei problemi fondamentali che bisogna arginare quando si progetta un impianto di aerazione è la mancanza di spazio. Questo perché in un ambiente aziendale sono presenti moltissimi macchinari e varie colonne che possono generare ostacoli nel percorso delineato per i condotti. Tuttavia, è un’accortezza a cui bisogna prestare particolare attenzione: è importante evitare di porre le deviazioni di percorso dei tubi o i raccordi o tutto ciò che comporta una perdita di carico concentrato in modo eccessivamente ravvicinato. È necessario ricordare che la reale quantità di perdita di carico è un po’ diversa da quella che si può calcolare matematicamente. Dunque, se non si facesse attenzione a questo passaggio si potrebbe compromettere in modo serio la sicurezza dell’impianto. Tutto ciò che genera una perdita di carico concentrata comporta una turbolenza nella tubazione che a lungo andare potrebbe portare a situazioni critiche che potrebbero portare, addirittura, alla rottura di qualche flangia o dell’intera tubatura.
Per evitare che si generino questi eventi critici è importante dare spazio e concedere alla turbolenza di dissiparsi prima che se ne formi una successiva. Dunque, una regola da seguire potrebbe essere di mantenere la tubazione lineare per una lunghezza pari o superiore ad almeno 3 volte il diametro. Se questo non fosse possibile si può utilizzare uno strumento chiamato deflettore, che come dice il termine causerà una deflessione del fluido.

Un ingresso e un’uscita trascurata dalla tubazione della perdita di carico concentrata

Molto spesso si tende a dare molta importanza al calcolo delle perdite di carico distribuite e concentrate, ma si trascurano completamente le perdite di ingresso e di scarico in atmosfera. Questo genera un dislivello notevole nel calcolo finale delle perdite di carico e potrebbe portare ad acquistare un ventilatore non idoneo per il livello di portata necessario ad aspirare un fluido. Basta considerare il fatto che l’aria che entra nel condotto può generare una perdita di carico concentrata fino a due volte il valore della pressione dinamica. Quella di scarico, invece, può addirittura variare fino a quattro volte il valore della pressione dinamica. Calcolare correttamente questi due fattori è quindi necessario se si desidera ottimizzare la scelta del ventilatore industriale da acquistare o semplicemente ridurre i consumi dell’impianto.

Perdite di carico causate da vortici generati in entrata

Quando un fluido giunge alle pale del ventilatore con una rotazione la portata dello stesso risulterà notevolmente diminuita. Per ottimizzare la portata e la pressione è necessario che l’aria arrivi al ventilatore girando nella stessa direzione dello stesso. Un metodo per evitare che si generino vortici di gas in entrata è mantenere una distanza minima tra l’aspirazione del ventilatore e i componenti dei condotti che possono provocare queste turbolenze. Infatti, come si è già visto, se si mantiene una distanza di almeno 3 volte il diametro tra questi elementi è possibile dissipare e lasciare riassorbire i vortici e le turbolenze. È probabile che, come precedentemente, non si abbia molto spazio a disposizione. Per arginare il problema è, dunque, possibile installare un raddrizzatore di flusso. Tuttavia, se si opta per questa soluzione, si deve considerare che anche questo strumento porta con sé delle perdite di carico concentrate che andranno considerate durante il calcolo delle perdite di carico delle tubazioni dell’aria finale.

In conclusione, per effettuare il calcolo delle perdite di carico dell’aria è necessario tenere in considerazione molti fattori e non affidarsi semplicemente alle soluzioni facili e alle false promesse di qualche sito web che offre scorciatoie. Se si farà affidamento ai concetti e alle nozioni espresse in questo articolo si potrà procedere a fare un calcolo delle perdite di carico delle tubazioni dell’aria corretto e a evitare tutta quella serie di danni costosi che portano con sé investimenti inutili di tempo e denaro. Se non si è in grado di procedere autonomamente in queste valutazioni è sempre bene prendere in considerazione l’idea di interpellare un consulente esperto. Al primo posto deve sempre esserci la sicurezza degli ambienti di lavoro. Anche per questo motivo, è bene confidare in persone affidabili e realmente esperte del settore. In sintesi, bisogna diffidare da chi promette soluzioni veloci e semplici e di quei fornitori che non siano in grado di indicare i parametri precisi per effettuare il calcolo delle perdite di carico.