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L. POSTRIOTI – UNI 10531 : VENTILATORI INDUSTRIALI: METODI DI PROVA E DI ACCETTAZIONE
UNIPG - CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE –Anno Accademico 2006/2007 – rev. 1 1/19
CORSO DI SPERIMENTAZIONE E PROVE SULLE MACCHINE
Docente Prof. L. Postrioti
UNI 10531 – 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 25000 J/kg, corrispondenti ad un incremento di
pressione pari a circa 30000 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
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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.
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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
Diaframmi
Misuratori ad imbocco conico
Misuratori in linea
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:
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- 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).
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Tabella 1 – Incertezze di misura tollerate dalla Norma Uni 10531
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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:
pd
Q ∆= ρπ
εα 24
2
(1)
con Q portata in massa, kg3/s;
α coefficiente d’efflusso del dispositivo;
ε fattore di comprimibilità;
d diametro gola del misuratore, m2;
ρ densità del fluido a monte del misuratore, kg/m3
∆p differenza di pressione, Pa.
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.
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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%.
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Figura 4 – Venturimetro ISO.
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Figura 4 – Posizionamento del Venturimetro ISO e dei boccagli.
Tabella 1 – Incertezze di misura tipiche per Venturimetri ISO
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Figura 5 – Boccaglio ad arco di cerchio.
Figura 6 – Boccaglio conico al’aspirazione.
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Figura 7 – Diaframmi normalizzati.
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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.
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Per il calcolo della velocità media equivalente sulla sezione del condotto, è necessario calcolare la quantità
media ∆pm secondo la:
( )2
5.01
∆=∆ ∑
n
i
im pn
p (2)
la pressione differenziale media è pari cioè al quadrato della media delle radici quadrate delle n pressioni
differenziali ∆pi rilevate sulle 24 stazioni di misura. Analogamente, la pressione statica media sulla sezione ps,m
all’altezza del Pitot (con cui calcolare la densità del fluido) sarà data dalla (3):
∑=n
i
isms pn
p ,,
1 (3)
La portata in massa sarà quindi calcolata mediante la (4)
mpd
Q ∆= ρπ
εα 24
2
(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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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Figura 15 - Esempio di possibili installazioni in Cat D.