Ventilazione - Guida al Tunnelling

28. Ventilazione

l. I VENTILATORI

delle pale; come illustra~Figura 3 si possono disim:guere tre differenti tipi:a) pale radiali diritte;b) pale curve in avanti? 'c) pale curve rovescie.La forma delle pale infi =sce sulla forza esercii

sull' aria, cioè sulla qutità d'energia imparialla stessa sotto formavelocità. La velocità <:

l'aria che lascia la giraè proporzionale alla Ighezza dei vettori rapli

sentatinellaFigura 3. Il rendimento dei ventilatori è infl .

zato dal fatto che l'aria convogliata deve compiere un alo di 90°, e ciò comporta perdite d'energia per urto e,vortici. Inoltre, l'efficienza aerodinamica della carcassa

chiocciola come più spesso viene chiamè di solito piuttosto bassa. Secondo il ti]la grandezza, il rendimento di questi "'tilatori è compreso, generalmente, tra ile 1'85%.

Il ventilatore è quella macchina cheprovoca un flusso continuo d'ariaper azione aerodinamica. I com-pressori a pistoni e le macchinevolumetriche non sono classificate,.di solito, come ventilatori. Si pos-sono distinguère tre tipi fondamen-tali di véntilatori: centrifughi,elicoidali ed assiali; questi ultimi due tipi sono talvoltaclassificati in un unico gruppo, ma le loro differenzecostruttive e di funzionamento sono tali da rendere giusti-ficata una distinzione.

1.1 Ventilatoricentrifughi

Un ventilatore centrifugo è costituitoda una girante che ruota in una. car-cassa a forma di chiocciola, com'è il-lustrato nella Figura 1. La girante asua volta è costituita da un certo nu-

mero di pale, sistemate sulla sua cir-conferenza in modo del tutto simile a

quello di una ruota idraulica o di unhattello a vapore per navigazione flu-viale.

La chiocciola presenta una boccad'aspirazione sull' asse della gi-rante ed una bocca di mandata

~d angolo retto rispetto a taleasse, com'è illustrato nella Figu-ra 2. Quando la girante è postain rotazione, le pale richiamanol'aria per forza centrifuga allasua periferia e la sospingono nelsenso della sua rotazione. L'ariain movimento nella chiocciola

viene convogliata verso la boccadi mandata nella misura in cui

essa esce dalle pale della giran-te; contemporaneamente altraaria viene richiamata attraverso

la bocca d'aspirazione per rim-piazzare quella già scaricata. Uaria,quindi, entra in direzione assiale, com-pie un angolo retto attraverso le palee viene scaricata in senso radiale. Lachiocciola ha la funzione di converti-

re l'elevata pressione dinamica svi-luppata all'estremità delle pale inpressione statica.Di questo tipo fondamentale di venti-latore centrifugo esistono diverse va-

rianti, secondo la forma e la posizione \\

598 GUida al'Tunneliing

Gottard A/p Transit, impianto di ventilazione Zitron

1.I.AVentilatoriapaleradiali

Chiamati anche ventilatori a palette, son~tipo più semplice. Esso ha un certo numldi pale piatte montate su bracci che si ,-mano da un mozzo centrale. Queste

poste radialmente, dal mozzo verso ildo esterno, e talvolta possono esserestremate verso il centro nel senso di

loro larghezza. In molti casi questi ventitori risultano ingombranti rispetto alla l.prestazione; il loro rendimento non è.vato e sono progettati in genere per svil!pare modeste pressioni.Una caratteristica notevole di questo tidi ventilatore è data dal fatto che iLm~

riale eventualmente trasportato dall';!non tende ad aderire alle sue pale, le qlper tale ragione sono chiamate autopulti; ciò costituisce un vantaggio praticcgli impianti in cui sia da aspirare e cmgliare aria polverosa. Gli andamenti cl

pressione statica ella potenza all' assefunzione della pOJd'aria sono rappretati dalle curve caI'i

ristiche della FiglliSi noterà che la pcza massima viene

giunta nel punt1massima portata;.'SI terrà conto alli

si dovrà scegliemotore del ventili

Nel campo dei ventilatori centrifughi, quel-li con girante a pale curve rovesce consen-tono il raggiungimento dei rendimenti piùelevati. Queste pale presentano il loro latoconvesso verso il senso di rotazione; ciò

consente un passaggio dell'aria più agevo-le attraverso le pale stesse e le perdite perurto e per vortici risultano alquanto ridot-te. Queste macchine funzionano a velocitàperiferiche più elevate degli altri ventilato-

ri centrifughi (Figura 3c).Le pale rovesce sono più lunghe in senso radiale che quelleinclinate in avanti, le giranti vengono poi rinforzate daanelli d'irrigidimento ed in genere risultano più pesanti; ciòcomporterà l'adozione d'alberi di maggior sezione.La portata d'aria, a pari diametro e velocità di rotazionedella girante, è minore che nel caso di ventilatori a pale

I inclinate in avanti; il.rendimento, però, puòessere più elevato. Inoltre, taluni particolaritipi di ventilatori centrifughi a pale rovescepossono sviluppare pressioni molto alte, comenel caso dei ventilatori a tiraggio forzato percaldaie. .

Le caratteristiche pressione - potenza - porta-ta di tali ventilatori sono illustrate nella Figu-ra 7 ed in questo caso va notato che la potenzamassima richiesta all'asse si verifica entro lazona normale di lavoro.

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1.T.8 Ventilatori a pale curve in avanti

I ventilatori che hanno pale con profilo curvo consentono diottenere rendimenti più elevati di quelli con pale piatte(Figura3a).Una forma comune di pala curva presenta la suaconcavità verso il senso di rotazione, com'è illustrato nellaFigura 3b. Queste giranti hanno un buon numero di pale conun'altezza radiale contenuta e vengono chia-mate anche giranti a pale multiple. Esse sonosistemate tra due anelli laterali e rigidamenteconnesse ai bracci di un mozzo, come indica laFigura 5, oppure saldate o chiodate ad un discopieno calettato, tramite un mozzo, sull' albero.La pala curva in avanti ha sull' aria un' effettoparagonabile a quello d'una scopa e, comerisulta dalla Figura 3b, la velocità impressaall'aria da questo tipo di ventilatore è più ele- -,

vata di quella che si ha con altri tipi; per tale ItigUla~i..Giran~apa~ecun7er,!gione questo ventilatore è in grado di forniretn avanti ~ ~ ~

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I~Figl,lra 6 - Curve caratteristiche tipiche di ventilatore con gir;.ante a pale curve-in avanti

una portata d'aria maggiore degli altri dipari diametro a pari velocità di rotazionedella girante. In altri termini, per una dataprestazione, un ventilatore a pale curve inavanti è più piccolo e funziona a velocità piùbassa.

La Figura 6mostra le variazioni di pressione- 'e potenza in funzione della portata.

L'aumento di potenza, in prossimità dellaportata massima, risulta più marcato conquesto tipo di ventilatore che con quello apale radiali prima descritto. Questo fatto èdeterminante ai fini dell'attribuzione della

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potenza necessaria al ventilatore.

1.1.( Ventilatoriapalecurverovesce

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T.T.DVentilatoricentrifughiconaltri tipi cIipale

IQuesti tre tipi fondamentali e differenti diventilatori centrifughi vengono, talvolta, mo-dificati allo scopo di migliorarne la resa. Dueprofili di pala diversi possono essere combi-nati in uno: una curvatura in avanti all' entra-ta o piede di pala, può essere combinta conun'uscita radiale diritta all' estremità della

stessa; una doppia curvatura delle pale, inavanti all'entrata ed all'indietro all'uscita,costituisce un' altra possibilit~ di variare ilprofilo dei tipi più noti. Alcuni esempi di talivarianti sono illustrati nella Figura8. Purtrop-

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Guida al Tunnelling 599

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po l'ingombro è uno dei ',~tanti svantaggi dei ven-tilatori centrifughi. Perridurre le dimensioni, edanche il costo dei venti-

latori di grande portata,si ricorre spesso a mac-chine con giranti di lar-ghezza doppia e conaspirazione dai due latidella chiocciola; questiventilatori sono noti con il nome di ventilatori a doppiaaspirazione e, rispetto a quelli a semplice aspirazione, con-sentono di realizzare portate d'aria circa doppie a parità didiametro e di velocità di rotazione della girante.

I ventilatori elicoidali hanno un campo di applicazionemolto vasto, soprattutto quando la resistenza al passaggiodell' aria è limitata. Di regola essi vengono impiegati dovenon ci sono condotti (vedi alcuni acceleratori di flusso insottosuolo) o dove la lunghezza di questi è molto ridotta.Nella maggior parte dei casi essi convogliano aria da unambiente all'altro attraverso un'apertura praticata in unaparete. Prerogativa principale di tali macchine è quella dipoter erogare grandi portate d'aria a basso costo d'esercizioe con minima spesa d'in-stallazione.

Di conseguenza il loroimpiego è universal-mente diffuso per le piùdisparate applicazioninella tecnica della ven-

tilazione in genere. Tali ,~ventilatori elicodali

spesso sono chiamatiaspira tori, perché impie-gati per estrarre aria da-gli ambienti; tale espres-sione, usata in senso ge- ,~nerico, è però impropria,dal momento che tali "

macchine sono altrettan-

to spesso usate per im-mettere aria fre!ìca e permolti altri scopi, come componenti di aerotermi, condensa-tori, ecc.. I ventilatori elicoidali presentano una ventola condue o più pale, di solito in lamiera di acciaio, angolate sulmozzo come nelle eliche di propulsione navale e, talvolta,hanno lo stesso profilo delle eliche di propulsione aerea,anche se le pale in lamiera, come quelle illustrate dallaFigura 9, sonò le più correntemente usate.L'effetto di spinta delle pale sull' aria varia secondo la loroforma: infatti un ventilatore con pale grandi e curve daràuna portata maggiore ed il suo funzionamento risulterà piùsilenzioso di uno dello stesso diametro e della stessa veloci-

tà, ma con pale piatte e strette.Le pale strette provocano una maggiore turbolenza ed han-no la tendenza a vibrare. Per fornire la stessa portata d'aria,

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It2 Ventilatorielicoidali

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600 Guida al Tunnelling

la ventola a pale streg-te dovrà ruotare a ~"""::

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to più spinto.I ventilatori con pale a grande superficie, del tipo illu:nella Figura 9, risultano perciò più convenienti per convre grandi portate d'aria con bassa pressione e con una IlliLT;tranquilla e silenziosa. Nella maggior parte dei casi la Ven5sarà direttamente calettata sull' albero del motore.

Il gruppo ventola-motore sarà poi montato per me~,due o più bracci su un anello d'acciaio o di ghisa nella'apertura verrà fatta ruotare la ventola.Talvolta essa è comandata con trasmissione a cinghia

motore che può Emontato o sull'"del ventilatore s' .

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o tra i bracci ch~~, stengono la linea ff

se ausiliaria. In al;"" casi il ventilatore

essere dota to dellapuleggia, per In!della quale potrà ~re azionato da u

mando indipenccosì come avverupassato quandipratica correntenare i ventilatOI-mezzo di una trasione centralizza~

ora questa pratJpuò consideraretutto sorpassata.L'aria viene adal ventilatore.dale da tutte lezioni e vienescaricata in se]

valentemente assiale, ma oltre a questa direzione l', -essere anche, in una certa misura, scaricata in sensoSe sul lato della mandata l'aria incontra una certa resi!;essa tenderà a fluire all'indietro attraverso la ventola.risulta dalla Figura lO; di conseguenza tali ventilatosono adatti a convogliare aria contro una rilevante res~Il loro campo d'applicazione è quello che prevede un:mento d'aria con aspirazione e scarico liberi o, tutlfarcon una resistenza non superiore a 15 mm c. d'a..Per tali applicazioni, questi tipi di ventilatori - incampo d'azione - risultano di pratica ed economica ajzione. L<fpotenza assorbita da un ventilatore eliiaumenta ~nzione della resistenza che esso deve "Ie, quando questa diventa eccessiva, l'assorbimento

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Figura 10 ""Ritorni d'aria all'estremitàdelle pale e~nella zonacentlale delmozzo in urÌventilatorll elicoif:!<i/é~in-

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tenza, salendo notevolmente,può favorire un surriscalda-mento del motore che può an-che bruciare; come misura disicurezza si dovrebbe provve-dere all'installazione di moto-ri abbondantemente dimen-sionati.

Come regola generale si puòassumere~che un ventilatoreelicoidale con pale in lamierafornisce la massima portata abocca libera quando il bordodiritto d'uscita (ossia il bordodi scarico) delle pale è a filodell' anello di montaggio, com' èillustrato nella Figura 11. Invece, la pressione massima siottiene facendo sporgere parzialmente le pale dall' apertura,come risulta dalla Figura 12.Questa posizione delle pale consente anche un'uscita concomponente centrifuga, riduce le perdite per flusso diritorno e permette perciò di sviluppare la sua massimapressione.Quindi, conviene sempre lasciare all' estremità delle pale uncerto spazio necessario per tale scaricò centrifugo.Quando un ventilatore è montato in un condotto circolare,la migior resa s'otterrà allorché il diametro del condottosarà almeno del 25% più grande del diametro della ventolae quando lo stesso sarà montato entro una piastra confunzione di diaframma e quando le pale sporgeranno dal-l'apertura com'è illustratonella Figura 12.Se il condotto dovesse es- "sere di poco più largo del-la ventola, la capacità delventilatore a vincere lacontro-pressione risulte-rebbe compromessa nella 1misura indicata dalla Fi- O. 6gura 13 (piccole variazionia questi valori si potrannoriscontrare per ventilatoricostruiti da fabbricanti di-

versi). Nella stessa figurasi può osservare che laportata d'aria varia moltopoco alle pressioni più bas-se, ma diminuisce rapida-mente allorché aumenta la

resistenza al passaggiodella stessa; inoltre va no-tato che il gioco o traferrotra la ventola ed il condot-

to influisce negativamen-te sulla resa del ventilato- ~

re, nel senso che maggioresarà la distanza tra le palee l'anello maggiormentesarà compromessa la pre-stazione del ventilatore.

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-FigDra 1"E-Posizione~orrettadellagira!jte in eseculione adanello perottenere lamassimaportéIta

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Figurajf13 -Prestazionidi unvelJtilatoreelicoidalein condottoinfunzioQe delgiocQ-periferico della girante o spazio tra~/epale edcònc[gJJgo diaframma .""~~ == =

- 1.3 Ventilatori a flusso assiale

= Negli ultimi anni si è verificatoun rapido incremento nell'usodei ventilatori a flussoassiale eciò grazie alloro rendimento, allaloro compattezza e semplicitàd'installazione. Questi ventila-tori sono costituiti da una o piùventole, con pale a sezione tra-sversale a profilo alare, rotantiin una carcassa cilindrica. Il flus-so dell' aria attraverso il ventila-tore è praticamente parallelo al-l'asse della ventola. Rendimenti

totali compresi tra il 70 e 1'80%sono abbastanza comunementeriscontrabili e per i grandi venti-latori costruiti per applicazionispeciali si possono raggiungererendimenti anche del 90%. L'at-traversamento diretto dell' ariapermette di inserire il ventilato-re in un condotto rettilineo senzabisogno di curve e raccordi. Larete di condotti risulterà, dicon~seguenza, più semplice di quelladei ventilatori radiali, che com-portano sempre l'installazione di.curve a 90°. Inoltre, con il venti-latore assiale non sarà necessa-rio occupare superficie a terra edinfine le sue dimensioni d'ingom-bro sono decisamente minori, aparità di prestazioni, di quelle diun ventilatore centrifugo. La for-ma più semplice di ventilatore aflusso assiale è data da una ven-tola singola montata sull'alberodi un motore, come illustra laFigura 14. Questo tipo, in genere,è capace di sviluppare pressionifino a 60 mm c.d'a. Per pressionipiù elevate questa esecuzionebase potrà essere modificata indiversi modi, come si dirà piùavanti.

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1.3.AProfiloalare

~ La prestazione dei ventilatori aflusso assiale dipende da uncer-to numero di fattori, tra i quali il

princip~il tipo delle pale ed illoro profilo. Benché questa con-siderazione possa non interessa-re il lettore, si ritiene utile dareuna breve spiegazione dei profiliaerodinamici od alari.

La sezione di una pala aerodina-

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mica può assumere svariateforme ma, fondamentalmen-te, resta simile a quella illu-strata nella FiguraJ5, dove sipuò osservare una rastrema-tùra che parte dal bordo ante-riore, adeguamente arroton-dato, e va al sottile bordod'uscita. La lunghezza dellasezione è detta corda, la for-ma della linea mediana A-A, .

tra la superficie superiore equella inferiore, è la curva-tura della pala, e l'angolo trala sezione trasversale ed ilsenso di rotazione è detto an-

golo d'incidenza o passo.Tutti e tre ,questi fattori in-fluiscono decisamente sulla

prestazione del ventilatore. Lo sviluppo della pressioneIdipende anche dal. diametro del mozzo: correntemente

parlando, ventilatori conmozzi di diametro relativa-

mente grande hanno pressio-ni più alte che quelli conmozzo più piccolo, a pari ve-locità periferica; va notato,però, che ciò si accompagnaad una certa riduzione di

portata.A parità di prestazioni, an-che il costo tende ad essere

maggiore nel caso di mozzi.più grandi. Per uguali dia-metri di'mozzo e d'estremità

delle pale e per uguale velocità, lo sviluppo di pressionedipende dalla superficie totale delle pale; il limite massimoa ciò è stabilito dalla reciproca interfei'enza delle pale cheverranno a sovrapporsi. Il nu-mero delle pale non è impor-tante: un numero esiguo dipale larghe equivale ad unnumero elevato di pale stret-te, aventi la stessa corda tota-le e la stessa area. La portatadipende dall' angolo d'inci~denza: variando gli angolid'incidenza, si può ottenereuna certa gamma di portateper un dato diametro di ven-tola ed una data velocità di

rotazione. Nella Figura 16 èillustrata una perfezionata so-luzione costruttiva che per-mette d'ottenere un'estesa va-

rietà di portate, modificandol'angolo d'incidenza. Questodispositivo consente di di-sporre le pale secondo l'an-golo necessario per dare esat-

lilw~

tamente la portata d'aria rich-Esso si presta particolarmer.essere usato nel caso di venti

che non siano provvisti didirettrici. Si sono costruiti ve

tori speciali nei quali l' angolcìcidenza, o passo, può essereJ,]ficato anche con il ventilato~

funzione. Nella Figura 17 è'strata la variazione di pressiOifunzione della portata d'arianita da un ventilatore assial~co. Dalla stessa si vedrà che

angoli d'incidenza relativanstretti, la pressione aumentasamente con il decrescere.

portata, mentre, per angoligiori, la caratteristica del veJtore presenta un punto in cui

si verifica più l'incremento di pressione necessarioerogare la portata d'aria voluta. Questo appare evi{

dalla brusca caduta della curva. Il punto inavviene è comunemente noto come «punto.lo». Di solito non conviene usare ventilaton

grandi angoli d'incidenza per portate mini:quella corrispondente al punto di stalla. Durogativa di questo tipo di ventilatore è I

potenza massima assorbita dalla ventola catra la zona normale di funzionamento e ciò

sente di poter definire tale curva caratteri:curva a regime di potenza non sovraccaricaI;

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1.3.8 Giocoall'estremitàdellepale

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Per ottenere il massimo sviluppo di pressioneventilatori a flusso assiale è necessario che il gioco tra lee la carcassa sia il più ridotto possibile. Di solito, esso 1

dallo 0,1 allo 0,4% del diametro della ventola, secolllmodalità costrl!.1adottate; infatti, iL~'

limite di questo gi<quello jmposto dalgetto meccanico e i

relative tolleranze ,"-

bricazione. Se si ptasse il caso di mouna ventola in un

dotto già esistentequale non sia più mnuto il gioco previs.sviluppo di pressiortrebbe risultare noi

mente comprome~L'effetto massimo (sto inconveniente

senta quando il~vjtore è chiamato a g,

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t,.,.602 Guida al Tunnelling

rionamento a bassa

pressione od a bocca~era. Possono presen-iafsi dei casi, tuttavia,

ilei quali è necessarioche le ventole ruotino

t:on un gioco conside-revole all'estremità

delle loro pale. In talievenienze lo stallo si ve-

rificherà ad una pres-sione più bassa e biso-

gnerà porre attenzionenello scegliere il venti-latore più adatto, per-ché esso, all'atto prati-co, non si trovi a fun-zionare in condizionidi stallo.

La Figura 18 mostra l'ef-fetto che il gioco al-

l'estremità delle pale ha sullo sviluppo della pressione piùalta di un ventilatore a profilo alare monostadio, avente unangolo di incidenza di 210.

Se l'aria entra in una ventola senza possedere alcun movi-mento rotatorio, la reazione alla forza determinata dal movi-mento delle pale metterà inevitabilmente l'aria in rotazionequando questa uscirà dalla ventola. Questa rotazione avvie-ne nello stesso sensodella vento la; infattil'aria si muove come se

seguisse una filettatu-ra a passo lungo, il cuiassecoincide con quel-lo dell' albero. Sel'aria,prima di entrare nellaventola, è già in rota-zione nel senso dellastessa o nel senso contrario, la rotazioneall'uscita sarà rispettivamente accresciutao diminuita. Il movimento rotatorio posse-duto dall'aria costituisce una parte del-l'energia che le è stata impartita; ciò vale adire che parte dell' energia disponibile persviluppare pressione risulta assorbita datale movimento. Sesi lascia che la corrente

d'aria riprenda il suo cammino rettilineo,questa energia di rotazione andrà in granparte perduta ed in definitiva si avrà unaperdita di pressione. Per far sì che il venti-latore riesca a sviluppare la pressione mas-sima di cui è capace, sarà indispensabileeliminare la rotazione dell' aria con la minor perdita d'ener-gia possibile. Ciò si può ottenere ricorrendo alla sistemazio-ne di alette che aiutino l'aria in uscita dalla ventolaaraddrizzarsi; tali alette, chiamate raddrizzatrici «a valle»,

potranno incrementare lo sviluppo di pressione di una

1.3.( Sviluppodipressionielevate

ventola dalla al 30%. .Ma le alette possono essere sistemateanche all'entrata, ossia a «monte» dellaventola, dove si forma la corrente d'aria,allo scopo d'impartire una prerotazioneall'aria richiamata dal ventilatore. In

questo caso, la ventola dovrà essere cal-colata in modo da tener conto di tale

fatto e da impartire all'aria l'energia ne-cessaria e quindi scaricarla con la-mini-ma rotazione.

La sola perdita d'energia che potrà veri-ficarsi in questo processo 'Sarà quelladovuta ad imperfezioni di progetto e difabbricazione del ventilatore stesso. Conl'adozione di tali alette raddrizzatrici o

preraddrizzatrici di filetti, lo sviluppodi pressione potrà essere incrementatodal 20 al 60% (Figura 19).Un'ulteriore possibilità di realizzarepressioni più elevate è offerta dall'im,.

piego di più ventole, ossia di un ventilatore pluristadio. Unodei vantaggi precipui del ventilatore a flussoassiale èquellodi consentire la formazione di gruppi a più stadi. In unventilatore con alette raddrizzatrici si è detto che queste,unitamente alla vento la, devono essere progettate in mododa eliminare la rotazione dell' aria ed ottenere il massimo

sviluppo possibile di pressione con aria che entra ed esce insenso assiale; orbene, sevengono uniti due o più ventilatoridi questo tipo, ognuno di essi contribuirà allo sviluppo dellapressione totale che ci si prefigge di raggiungere. Se, però,

si accoppiassero due ventilatori identici senzaalette raddrizzatrici, si noterebbe che l'aria inuscita dal primo stadio avrebbe un movimentorotatorio considerevole, cosa questa che ridur-rebbe drasticamente la prestazione ottenibile dalsecondo stadio, ciò anche se la seconda ventolafosse studiata in modo da adattarsi a talemovi-mento rotatorio, ed in definitivanonsi otterrebbela prestazione nominale. Infatti, anziché raddop-

piare approssimativamente lapressione sviluppata daun'unità, due ventilatori diquesto tipo riuscirebbero aprodurre un incremento in-torno al 50% soltanto,

Per evitare questo inconve-niente senza ricorrere all' usodi alette raddrizzatrici, la

seconda ventola doyrà ru-otare nella direzi~e oppo-sta a quella della prima, conil risultato di eliminare, an-ziché 'd'aumentare, la rota-zioneprovocata dalla ventola

del primo stadio. Questa seconda unità è il cosiddetto ven-tilatore controrotante. Va notato inoltre che la ventola del

secondo stadio non soltanto corregge la rotazione dovutaalla prima, ma gode del vantaggio di ricevere aria già inrotazione, v-antaggio ottenibile altrimenti solo con un

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Figura 18 - Effetto del gioco periferico della giréJ.nte salla preggiooosviluppatada un ventilatoreassiale .

Figura 20'Ventilatore-assiale

adoppio stadiocon giranti -controrotantff'

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603Guida al Tunnelling

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predistributore. La pressione sviluppata da un gruppo si-mile sarà dell'ordine di 3 volte quella sviluppata da unventilatore analogo a semplice stadio senza aletteraddrizzatrici e di circa due volte quella sviluppata da unarazionale unità provvista di alette raddrizzatrici.Tale principio è sfruttato in pratica dai ventilatoricontrorotanti a profilo alare illustrati nella Figura 20. Taleapplicazione non è limitata all'uso di due soli stadi; sipossono infatti realizzare in modo semplice, pratico e con-veniente gruppi a controrotazione, accoppiando unità adunità, allo scopo di realizzare pressioni assai elevate.La condizione essenziale per la formazione degli stadi è cheogni unità riceva e scarichi l'aria in senso assiale, così chesiano mantenute per ogni gruppo le stesse condizioni difunzionamento.

Le 'unità con ventilatori controrotanti sono particolarmenteadatte alla formazione di tali stadi, poiché rispondono alrequisito già detto; pur con alcune limitazioni se ne possonocollegare in serie un numero qualsiasi, sia adiacenti l'unaall' altra sia poste ad una certa distanza lungo il condotto diconvogliamento dell'aria. -

Fino a pressioni totali di circa 500 mm c. d'a. si può dire chelo sviluppo totale di pressione dato dalla combinazione saràla somma delle pressioni totali ottenibili dalle singole unità.Poiché la corrente d'aria passa successivamente attraversociascuna unità, la pressione dinamica necessaria per la pro-pulsione dell' aria si può considerare fornita soltanto dallaprima unità e, dunque, la pressione statica ottenuta dall'in-sieme sarà data dalla pressione statica del primo gruppo piùla somma delle pressioni totali sviluppate dalle unità suc-cessive.

Tale affermazione si basa sull'ipotesi che l'aria esca dalprimo gruppo in senso assiale per ogni regime di portatad'aria.

Di fatto,ciò si verifica solo per una data portata, ma lapratica metterà in evidenza soltanto piccole deviaziòni ri-spetto a quanto affermato. Per pressioni totali oltre i 500 mmc.d'a. si dovrà tener conto della comprir.nibilità dell'aria,introducendo le necessarie correzioni pertinenti lo sviluppodi pressione e l'assorbimento di potenza. Inoltre, può costi-tuire un problema serio il riscaldamento dell'aria, non soloper le opportune correzioni della pressione e della potenzama, soprattutto, per la necessità di dover raffreddare imotori dei ventilatori, fatto questo esclusivamente dipen-dente dall' aria che li lambisce.

Un'indicazione circa l'aumento di temperatura dovuto allacompressione dell' aria si può ricavare con la seguente for-mula approssimata:

Aumento 0,82 x pressione totale del ventilatoredella t. (°C) - rendimento totale del ventilatore

Una compressione eccessiva potrà quindi provocare unindesiderato aumento della temperatura dell'aria. Un'indi-cazione approssimata della sopraelevazione di temperatu-ra si potrà ottenere sviluppando la seguente formula:

Aumento 3.000 P (kW)

della t. (°C) = Q (m3/h) x

100

h (%)

604 Guida al,Tunneliing

oppure:3.000 P' (kW)

Q (m3/h)

Aumento

della t. (°C) -

dove:

P = potenza motore (kW)P' = potenza assorbita dal motore (kW)11 = rendimento d~l motore (%)Q = portata aria (m3jh).

Si sono studiati diversi metodi per azionare le due-v1di un gruppo controrotante, ma senza dubbio il piÙ5ce e conveniente è quello dato dall'impiego di un ]elettrico separato per ciascuna ventola.Tale metodo non soltanto dimezza la possibilità di unsto totale, ma consente di poter regolare abbastanza;icemente la portata, fermando il motore di uno dei dUIÈ preferibile, ovviamente, utilizzare motori identcomporterà una scelta accurata degli angoli d'in(-delle due ventole poiché, in genere, se le vento]studiate in modo tale da ottenere la prestazione odall'unità, si troverà che il secondo stadio assorbe ~tenza del primo.Uno dei numerosi vantaggi dei gruppi controrotanfifilo alare sta nel fatto che lo sviluppo della massima RJne è disgiunto da un incremento proporzionale delsonoro. Tale unità fornirà la portata e la pressionecon i soli due terzi della velocità periferica neces~caso di un ventilatore monostadio senza alette raddl"da ciò la considerazione fatta circa la relativa sil

del complesso.Per la stessa ragione, tali gruppi risultano conveniiche nei casi in cui, con pressioni moderate, si voglia«una marcia silenziosa. Infine, con tali unità non si VE

ranno gli inconvenienti dovuti alla vicinanza deUraddrizzatrici alle pale di una v.entola con passo otLd'incidenza elevato e ciò perché le singole ventole P'essere sufficientemente distanziate per evitare ognirenza.

1.4 Prestazionideiventilatori

I ventilatori vengono scelti per fornire una certad'aria in funzione d'una determinata pressione eprestazione deve essere definita da questi due faiche se progettato in modo tale da realizzare una pnottimale, in determinate condizioni, un ventila1funzionare in modo del tutto soddisfacente {n c(

denza di un' ampia gamma di pressioni e di portatIprestazioni saranno definite più compiutamentedi una tabella o di un diagramma pressione ,prapporto tra queste due entità costituisce la cUrvastica del ventilato!e. La Figura 21 illustra:iina Clpressione portata di un ventilatore a profilo alaredi diametro con angolazione pale 24°, funzionvelocità di 1.140 giri/min; completano il diagramniscono ogni particolarità della macchina, la Clpotenza e la curva 'del-rendimento totale.La curva del rendimento è tracciata sulla base deUa

ne totale del ventilatore, poiché questa dà la ~lavoro totale compiuto sull' aria. La relazione tra

?ressione, potenza e rendimento viene espressa come indi-Gito qui di seguito, usando i seguenti simboli:

Q = portata d'aria nell'unità di tempoPr = pressione totale del ventilatorePs = pressione statica del ventilatorep =potenza assorbita dal ventilatore-=ls=rendimento statico del ventilatore~h =rendimento totale del ventilatore

(m3/h)(mm HP)(mm HP)(kW)

certe leggi, che possono essere enunciate brevemente comesegue.

Per uguale diametro di girante:1. la portata d'aria varia direttamente in funzione della ve-

locità di rotazione;2. la pressione sviluppata varia con il quadrato della velo-

cità di rotazione;3. la potenza assorbita varia con il cubo della velocità di ro-

taziOlle.

Per uguale velocità di rotazione:4. la portata d'aria varia con il cubo del diametro della ventola;5. la pressione sviluppata varia con il quadrato del diame~

tro della ventola;6. la potenza assorbita varia con la quinta potenza del dia-

metro della ventola.il

Potenza assorbita dal ventilatore:

Q(m3/h) . PT(mm HP) Q(m3/h) . P s(mm HP)P(kW) = =

370.000 . 11T 370.000 . 11s

Da cui deriva, a pari portata d'aria, la relazione seguente:

~=~11T P T

1)T

80%

70%

60%

50%

40%

~O%

20%

10%

o4000 8000 12000

portata (ni'/h)

16QOO

Di conseguenza, per una variazione simultanea di velocitàe di diametro della ventola:

7. la portata d'aria varia secondo il prodotto:(velocità di rotazione) x (diametro della ventola)3 ;

8. la pressione sviluppata varia secondo il prodotto:(velocità di rotazione)2 x (diametro della ventola )2;

9. la potenza assorbita varia secondo il prodotto:(velocità di rotazione)3 x (diametro alla ventola)5.

Scopo principale di queste leggi è quello di poter calcolarele prestazioni di un ventilatore, quando siano note quelle diun ventilatore simile, come nell'esempio seguente.

EsempioAUn ventilatore a profilo alare monostadio da 960 mm didiametro, con una portata d'aria di 12.000 m3/h alla velocitàdi 470 giri! min, una pressione statica di 6mm c. d'a. e con unassorbimento di potenza di 0,32 kW, viene regolato al 70%della sua velocità. Quali saranno la portata, la pressione e lapotenza, supponendo che il ventilatore lavori sul medesimopunto della curva caratteristica?

Il!É

Il:1

I1II

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Secondo la legge l. la portata d'aria varia proporzionalmen-te alla velocità di rotazione, quindi la nuova portata sarà: v

0,7 x 470Q = x 12.000 = 8.400 m3/h

470

Secondo la legge 2. la pressione sviluppata varia secondo ilquadrato della velocità di rotazione e la nuova pressione

sarà: ~_(0,7X470 )2 -

Ps- 470 x 6 - 2,~4 mm HP

Secondo la legge 3. la potenza assorbita varia con il cubodella velocità di rotazione, per cui la nuova potenza sarà:

P = (0,7 x 470 )3x 0,32 = 0,11 kW470

Poiché per il medesimo ventilatore la portata d'aria variaproporzionalmente alla velocità e la pressione con il qua-


Figura 21 - CUn(Ì'i caraffe,ristica pressione -'"portata d;JJn veotilat5re

assFa!e monosradio - ;;;

1.5 Leggideiventilatori

Di solito sono costruiti in serie di dimensioni e velocità

differenti e se, in una data serie, ciascuno di essi è identico

agli altri, tranne che per le dimensioni, si dice che i ventila-tori sono geometricamente simili. La prestazione relativa diquesti ventilatori, quando funzionano nello stesso puntodella curva caratteristica pressione portata, è governata da

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I vntilatoe assiae'24:'..-5 - \\\ 600 mm di diamo - 1440 giri/min.

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drato di tale velocità, ne consegue che la pressione va.r;ieràcon il quadrato della portata.Anche la resistenza di una rete di condotti varia con il

quadrato della portata: di conseguenza, il ventilatore segui-rà le stesse leggi del suo circuito. Ciò significa che, quandoc'è qualche dispositivo per regolare la velocità del ventila-tore, la portata del circuito sarà proporzionale alla velocitàdello stesso ventilatore. Questo si verifica perché, sia laresistenza della rete che le pressioni (statica e totale) delventilatore variano con il quadrato della sua velocità ed ilventilatore si troverà a funzionare sempre sul medesimopunto della sua curva caratteristica pressione portata.

Esempio BUn ventilatore, monostadio a profilo alare con ventola da960mm di diametro, funzionante alla velocità di 470 giri/min, fornisce una portata d'aria di 12.000 m3/h ad una retedi condotti che oppone al passaggio di tale portata unaresistenza di 6mm c. d'a., assorbe una potenza di 0,32 kW.Se il ventilatore viene regolato all'80% di questa velocità,quali saranno i nuovi valori di portata, pressione e potenza?Per la legge 1. la portata varia proporzionalmente alla velo-cità di rotazione e la nuova portata sarà:

Q = 0,80 x 470 12.000 m3/h = 9.600 m3/11470 .

Per la legge 2. la pressione sviluppata varia con il quadratodella velocità di rotazione, cioé come la resistenza del cir-

cuito, e la nuova pressione sarà:

Q = (0,80 x 470

)2.6 = 3,84mm HP470

Per legge 3. la potenza assorbita varia con il cubo dellavelocità di rotazione e la nuova potenza sarà:

P = (0,8 x 470

)3. 0,32 = 0,16 kW470

1.S.8 Influenza della densità del/'ariasulle prestazioni dei ventilatori

Le Tabelle ed i diagrammi delle prestazioni dei ventilatoripresuppongono che l'aria abbia una densità normale (ladensità in questa trattazione è considerata corrispondentea 1,2 kg/m3) per aria secca e ad una pressione barometricadi 760 mm Hg, cioè al livello del mare. Quando la densitàdell' aria cambia, ne risulta una variazione proporzionaledella pressione (statica o totale) sviluppata e della potenzaassorbita del ventilatore, a pari portata d'aria. Poiché anchela resistenza del circuito varia, a pari portata, in proporzio-ne alla densità, ne consegue che il ventilatore, in un datoimpianto, lavora sempre sullo stesso punto della curvacaratteristica e fornisce una portata d'aria costante ad unavelocità costante, quale che sia la densità.Le leggi dei ventilatori lelative alla densità, a velocità co-stante del ventilatore, sono perciò:lO. la portata d'aria non varia al cambiare della densità;H.la pressione sviluppata varia proporzionalmente alla


densità;

l2.la potenza assorbita varia proporzionalmente alla'

Esempio CQuale sarà la portata di un ventilatore come queL~l'esempio B quando la densità dell'aria sarà di 1 kghla portata nominale è riferita alla densità 1,2 kg/m3?Per la legge lO. la portata d'aria resterà invariata..12.000 m3/h. Per la legge 11, la nuova pressione sta'-ventilatore sarà:

1- .6=5mmHO122,

Per la legge 12, la nuova potenza assorbita sarà:

1- .0,32 = 0,26 kW1,2

Le variazioni di densità possono essere dovute a cmenti di pressione, temperatura e composizione i:trattato. La cosa più semplice da farsi in questi casi è;,lare la resistenza del circuito e scegliere il ventilatore:-nendo che la densità dell' aria sia quella normale; aJportata d'aria resterà quella calcolata, indipendentEdalla densità, e la potenza assorbita varierà propor,mente alla densità stessa. Ma, di solito, non c'è biscconsiderare tali variazioni, se queste avvengono,comuni limiti di variazione delle condizioni atmosf€

Si possono considerare a tal fine i seguenti limiti alledizioni atmosferiche normali»:

L'aria satura è più leggera di quella secca, ma la diffeè soltanto del2% a 15°C e de14,3% a50°C; perciò tuttiivd'umidità, fino alla saturazione, sono normalmente mrati. Allorchè si debbano correggere i risultati delle'per riferirsi alle condizioni normali, od allorché si ope]

fuori dei limiti di pressione e temperatura, è nece:calcolare la variaziope di densità ed applicare qUÌJleggi lO, Il e 12 perché la prestazione del ventilatore]debitamente corretta. La densità dell'aria (o di qmgas) è inversamente proporzionale alla temperatura as5ta. La temperatura assoluta si trova sommando 273temperatura dell'aria misurata in gradi centigradi.Infatti, la temperatura normale dell'aria di 20°C corri$]de ad una temperatura assoluta di 273 + 20 = 293 °K.Per contro, la densità è direttamente ,proporzionale a..~pressione barometrica in mm', Hg.

Esempio DQual è la densità dell' aria con temperatura di 30°C e pr~ne barometriCa di 750 mm Hg?

o~

.-

oSicorregga dapprima la densità normale dell' aria 1,2 kg/ m3a 20°C per la temperatura e si avrà:

273 + 20

273 +30 x 1,2 = 1,16 kg/m3

alla temperatura di 30°C ed alla pressione barometrica di760 mm Hg.Quindi si corregga per la nuova pressione barometrica di750 mm la densità trovata e si avrà:

750- x 1,16 = 1,145 kg/m3760

Per valutare l'influenza di questa variazione di densità sullaprestazione del ventilatore, ci si potrà riferire all' esempioprecedente.Queste regole possono essere combinate, se lo si desidera,con le leggi dei ventilatori nel seguente modo:13. la pressione sviluppata è direttamente proporzionale

alla pressione barometrica;14. la pressione sviluppata è inversamente proporzionale

alla temperatura assoluta;15. la potenza assorbita è direttamente proporzionale alla

pressione barometrica;16. la potenza assorbita è inversamente proporzionale alla

temperatura assoluta.

1.5.(Variazionedelladensitàdell'ariaconl'altitudine \Come si sa, la pressione barometrica dell' atmosfera diminu-isce all'aumentare dell'altitudine sul livello del mare ed in

tal caso non c'è differenza tra un' altitudine raggiunta volan-do al di sopra della superficie terrestre con un aereo osalendo su una montagna o stando su un altopiano allastessa quota sul livello del mare. Qualunque sia l'altitudine,si può riscontrare da un giorno all' altro un' escursione dellapressione barometrica tra 25e 50 mm Hg di quella normalema, per maggiore comodità, in aeronautica si è definita una

fIl

«atmosfera normale» con riferimento ad una pressione di760 mm al livello del mare corrispondente alle diversealtitudini. . "

La Tabella a lato fornisce i valori di queste pressioni normalialle diverse quote partendo, come s'è detto, da una pressio-ne di 760 mm al livello del mare. Nella tabella sono indicate

anche le pressioni per altitudini notevolmente inferiori allivello del mare; èsse sono importanti soprattutto per iventilatori da miniera, dove la densità atmosferica aumentaproprio come se ci trovasse all' aperto e sotto il livello delmare. La tabella riporta inoltre i valori delle densità relativea tre differenti temperature:

it

':1

densità relativa =densità reale

1,2

Si noti che la pressione e potenza assorbita dal ventilatÒrepossono essere corrette con riferimento alle condizioni n"or-mali dell'aria, per altitudine di funzionamento, 'semplice-mente moltiplicando i valori per la densità relativa.

1.6Riepilogodelleleggidei ventilatori

La portata varia in proporzione:- diretta con la velocità di rotazione- cubica del diametro della ventola

La portata non varia al cambiare della densitàdell' aria

Legge Lo" Legge 4. I",

:i~"

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o

.

oJ

fJLegge 10.

Quindi, la portata d'aria varia con il prodotto:

(velocità di rotazione) x (diametro della ventola)3

IH~ I ~

. ;

La pressione sviluppata varia in proporzione:- quadrata della velocità di rotazione- quadrata del diametro della ventola- diretta con la densità dell' aria

~

n;Legge 2.Legge.5.Legge 11. =

3

Quindi, la pressione sviluppata varia con il prodotto:

(velocità di rotaz.)2 x (diam. della ventola)2 x densità dell' aria

ossia con il prodotto:. preso barometrica

(velocità di rotaz.)Z x (diam. della ventola)2 x ltempo asso uta

~

~;

I ~, ~

La potenza assorbita varia in proporzione:- cubica della velocità di rotazione .

- alla quinta potenza del diametro della ventola- diretta con la densi tà dell' aria

I ~Legge 3,Legge 6.Legge 12.

~

~

~

Quindi, la potenza assoluta assorbita varia con il prodotto: ~"...""...~]""!;!

(velocità di rotaz.)2 x (diam. della ventola)5 x densità aria

ossia il prodotto:. preso barometrica

(velocità di rota;.;;.)3x (diam. della ventola)5 x ltempo asso uta,

1.1 Confrontoe sceltadei'ventilatori

Per confrontare e scegliere i ventilatori ci si può servire delleloro leggi, nel senso che le prestazioni di un ventilatore

(3uida al Tunnelling 607

Il'ti,.!.

l!!

Ii

illustrano le caratteristiche di un ventilatore assiale a

profilo alare; si tratta di un ventilatore da 610 mm didiametro rotante a 1.440 giri/min, dove le caratteristichesono indicate in funzione delle portate, delle pressioni edelle potenze.I

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1.8 Reversibilitàdeiventilatori

In molti impianti di ventilazione e di circolazione dell'ariapuò rendersi opportuno, in certi momenti, invertire la dire-zione del flusso dell'aria. Talvolta, ciò viene fatto come

misura di emergenza; in altri casi previene il ristagno del-l'aria, per esempio in aspirazione al fronte dopo una volata.Nel caso di ventilatori centrifu-

ghi l'inversione del flusso com-porta l'installazione di una com-plicata rete di condotti che con-senta, per mezzo d'opportuneserrande, di ottenere la voluta in-versione d'aria.

Non ci sono altre possibilità d'in-versione per un ventilatore cen-trifugo poiché questo è di princi-pio una macchina irreversibile.I ventilatori elicoidali e quelliassiali, invece, sono macchinesostanzialmente reversibili, an-che se taluni di essi, secondo il

tipo, risultano più efficaci di al-tri. L'inversione del flusso d'aria si ottiene semplicementeinvertendo il senso di rotazione e, nel caso di ventilatori

azionati da motori elettrici, l'operazione può essere effet-tuata con un semplice commutatore. Questo metodo puòessere applicato a ventilatori mano stadio senza aletteraddrizzatrici e ad unità controrotanti, mentre i ventilatoricon alette raddrizzatrici non si prestano, di solito, all'inver-sione di flusso.

Con i tipi comuni di ventilatori assiali la portata d'aria èminore quando questi ruotano nella direzione inversa; ineffetti di solito essa è pari al 70 -75% della portata normale,nel caso di ventilatori elicoidali mano stadio, ed al 65 - 70%nel caso di unità controrotanti, sempre che si operi sullastessa rete di condotti. Quando è necessario avere un' egualeportata d'aria in entrambe le direzioni, si possono costruireventilatori speciali e totalmente reversibili. "Le pale con

profilo aerodinamico delle ventole di tali ve~tilatori di-spongono di sezioni disposte alternativamente in direzioniopposte una all'altra. In questo modo, qualunque sia ilsenso di rotazione della ventola, le condizioni di resa sonole stesse in entrambe le direzioni.

È ovvio ed inevitabile che si verifichi, in questo caso, unacerta riduzione nella prestazione, a paragone con quellarealizzata da un ventilatore normale, ma tale riduzione è

ben contenuta. Per esempio, paragonando un ventilatorenormale a pale alari con un altro delle stesse dimensioni evelocità, ma totalmente reversibile, si riscontrerà una ridu-

zione di portata d'aria pari all'85% e di pressione pari al70%. Il rendimento totale di questo ventilatore è abbastanzaalto, essendo circa del60 - 65%, se paragonato a quello di unventilatore normale corrispondente che è del 70 - 78%.

<u~,g~,'"Q)c:.0(iL ,.V)'~c..

1.9Funzionamentodeiventilatori in parallelo

Ventilatori identici possono funzionare in parallelo abba-stanza soddisfacentemente e due di essi forniranno una

portata d'aria doppia, a parità di pressione, di quella datada una singola unità. Anche ventilatori non identici posso-no funzionare in parallelo, ma bisogna porre attenzionenello scegliere il punto di lavoro sulla caratteristica risul-tante, anche se, in questo caso, è improbabile che entrambii ventilatori si trovino a funzionare contemporaneamentenel punto di massimo rendimento.Se, come nel caso di un ventilatore a flusso assiale a grandeangolo d'incidenza delle pale, si pone attenzione al punto

di stalla della curva carat-

teristica in corrisponden-za di una pressione eleva-ta, si noterà che anchel'unità combinata presen-terà un analogo andamen~to. Di conseguenza, mag-gior attenzione dovrà es-sere prestata nella sceltadi ventilatori che dovran-

no funzionare in paralleloper evitare decisamente lapossibilità di funziona-mento al punto di stallo. Ilpericolo è probabilmentemaggiore quando si vuole

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aggiungere un altro ventilatore aquelli di un impianto esistente,nel qual caso, come illustra la Fi-gura 24 , da un impianto inizialeC soddisfacente si potrà passare,sulla curva caratteristica combi-nata, ad un punto D del tuttoinaccettabile. Va notato poi chedue ventilatori funzionanti sullostesso circuito non danno una

portata d'aria doppia di quellache uno di essi darebbe funzio-

nando da solo, perché la resisten-za del circuito, aumentando conil quadrato della portata d'aria,farà sì che i ventilatori si unisca-no per dare un valore corrispon-dente inferiore al doppio. L'in- o

cremento di portata d'aria per ~ Figura26- Rèf!olazioneconserrandaogni ventilatore aggiunto dimi-nuirà all' aumentare del numero di ventilatori funzionanti

in parallelo. Con tale sistemazione sarà possibile regolareabbastanza facilmente la portata d'aria fermando una o piùmacchine, ma generalmente sarà necessario predisporredispositivi che prevengano flussi d'aria di ritorno ed evitinocorto circuiti attraverso i ventilatori fermi. Di solito si ricor-rè alla sistemazione in parallelo quando la mancanza dispazio non permette l'installazione di un unico grandeventilatore. Inoltre si può impiegare, talvolta, un certo nu-mero di piccoli ventilatori con un costo d'impianto minoredi quello che avrebbe comportato una grande unità capacedella stessa prestazione complessiva. Con tale sistemazionein parallelo il rischio di un arrestocompleto è minore, poiché sarà pos- IFigura 27 -"Regolazione in by-pass

sibile intervenire per manutenzionesu ciascuna macchina, senza per que-sto bloccare l'intero impianto, sem-pre che si ciisponga delle necessarieserrande d'esclusione.

J.' ORegolazionedellaportata deiventilatori

1.10.ARegolazioneconserrandadi taratura

nell'impianto; in altri termini si pui!dire che, modificando la resistenZadel circuito con un dispositivo distrozzamento, si ottiene la portal2voluta agendo semplicemente sul1iocurva caratteristica del ventilato~come appare dalla Figura 26. Di co~seguenza, la potenza richiesta all'as-se varia secondo l'andamento della

curva di potenza del ventilatore. QUt;-sto metodo è soddisfacente se appli-cato a ventilatori radiali, ma non e..

raccomandabile per quelli assiali, chepresentano il noto punto di stallo eche dovrebbero essere scelti per svi-luppare una pressione molto più altadi quella necessaria.Va notato poi che, per ventilatori as-siali con motori direttamente accop.-piati, un eccessivo strozzamento po-

trebbe causare un surriscaldamento del motore per man-canza d'aria.

Nella maggior parte dei ventilatori a flusso assiale laregolazione della portata in derivazione (by-pass) risultapiù economica di quella ottenuta mediante una serranda.emantiene inalterata la quantità d'aria che lambisce e raf-fredda il motore posto nel condotto prevenendo l'inconve-niente già detto.Tutto ciò che occorre per una regolazione in derivazione ~

dato da un semplice dispo-sitivo che permetta di sea-ricare nell'atmosfera une

parte dell' aria principale<>rin certi casi, che consenta

di farne uso per fini secon-dari. Quando il dispositi-vo di derivazione è aperfu~la resistenza del circuito di-minuisce ed il ventilatore

",., eroga una maggiore porta-c, ta d'aria; agendo su tale

dispositivo si otterrà la giu-sta distribuzione tra circui-to principale e derivazIo-

ne. Pi~ sarà aperta la serranda, più aria sarà derivata e, nellamaggior parte dei casi, la potenza consumata dal ventilato~assiale tenderà a diminuire. La Figura27 illustra il principiosu cui si fonda questo metodo di regolazione della portata.

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1.10.8Regolazionein by-pass

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In molti impianti di ventilazione ri-sulterà opportuno poterne regolarela portata d'aria; ciò si può ottenerecon molti e noti sistemi, ma alcuni diquesti risulteranno più convenienti di altri. Dal punto divista del consumo di potenza, il metodo ideale consiste nelvàriare la velocità del ventilatore, sebbene in pratica anchequesto sistema comporti una certa perdita di potenza. LaFigura 26 (pagina precedente) dà un'idea relativa ai vantag-gi dei vari tipi di regolazione della portata, di cui si tratterà,paragonandoli al consumo di potenza del metodo idealeottenuto per regolazione della velocità.

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1.10.(Regolazionedi portataconvariantedellavelocità

Questo metodo viene spesso utilizzato poiché molto sem-plicemente provvede allo strozzamento della corrente d'aria

Questo metodo di regolazione della portata è quello ideakpoiché la portata diminuisce in proporzione diretta, la pres-sione con il quadrato e la potenza consumata con il cubo


-

-della velocità. L'economicità di

questo tipo di regolazione èovvia, ma non è facile poterdisporre di un metodo relati-vamente poco costoso che noncomporti un'eccessiva perditadi potenza.Imetodi di regolazione di velo-cità possono essere classificatiin due categorie principali: mec-canici ed elettrici.

MetodimeccaniciVentilatore ad alta prestazione (50-110 m3/s, 2.500-6.000 me/h)con motorizzazìone e regolazìone meccanica esternaGiunti idraulici.

Sono essenzialmente di due tipi;il più conosciuto forse è il giunto fluido dinamico o giunto ascorrimento, che generalmente è costituito da due giranti,una funzionante come pompa e 1'altra come motore, e da undispositivo per regolare il flusso del fluido alla parte motri-ce con il risultato, quindi, di poter variare la velocità. L'altrotipo di giunto è quello volumetrico. Anche in questo caso èpresente una pompa ed un corrispondente motore, ma que-sta volta invece d'essere del tipo centrifugo, le pompe sonodel tipo volumetrico.La regolazione della velocità si "'ottiene modificando le portatedella pompa e ciò, generalmen-te, è ottenuto variando la corsa

dei pistoni nella pompa. En-trambi i tipi di giunti funziona-no con un buon rendimento; lasola differenza tra loro è che il

tipo volumetrico consente la tra-smissione di una coppia motri-ce più alta alle basse velocitàrispetto al tipo a scorrimento.Tuttavia ciò non ha molta im-

portanza nel caso dei ventilato-ri, perché la coppia di un venti-latore diminuisce rapidamentecon il quadrato della velocità.Questi giunti, però, sono piut-tosto ingombranti ed altrettan-to costosi.Scatole a variazione di velocità.

Possono essere del tipo ad in-granaggi o del tipo a frizione. Iltipo ad ingranaggi consente unavariazione a gradini della velo-cità mentre il tipo a frizione con-sente una variazione continua

della stessa. Si tenga inoltre pre-sente che con il primo ci sarà latendenza ad aumentare la rumo-rosità del funzionamento men-tre con il secondo si avranno

ingombro e spesa superiori.Comandi a cinghie. .Esistono pulegge espansibili e

quindi con diametro variabile percinghie trapezoidali, che permetto-no una variazione continua, seppurlimitata, della velocità. Si può otte-nere invece una variazione a scatti

usando pulegge a gradini. In tal casola regolazione della portata potràessere mantenuta a lungo od inde-finitivamente, come nel caso d'am-pliamento d'una rete di condotti,montando pulegge motrici più gran-di, semprecché la potenza disponi-bile sia sufficiente.

Metodielettrici

Motori a corrente continua con resistenze in serie.

La regolazione di veloCità si ottiene riducendo l'intensitàdel campo magnetico del motore, provocando così un au-mento della velocità rispetto a quella ottenuta con l'intensi-tà nominale. La riduzione dell'intensità di campo si ottieneinserendo una resistenza nel circuito induttore, mentre I:in-dotto resterà alimentato a piena tensione. La Figura 28 mostrala variazione della coppia motore in funzione della velocità e

della posizione di regolazione, la veloci-tà finale si troverà all'intersezione dellalinea di carico del ventilatore con le cur-

ve della coppia motore. La carcassa diun motore, costruito per essere regolatomediante shunt, è generalmente piùgrande di quella di un motore avente lastessa massima velocità.e potenza.Motori a corrente continua con eccitazioneIn serze.

La regolazione della velocità si ottieneriducendo sia !'intensità del campo ma-gnetico che la corrente dell'indo~to, pro-vocando così una diminuzione della ve-locità del motore. Ciò si realizza con

una resistenza di regolazione posta inserie all' alimen tazione ed al motore.

Questo procedimento è molto buonoper i motori più piccoli (potenza fino a1 kW), ma non è altrettanto economicoper motori dipotenza superiore, perchéle perdite elettriche sono maggiori chenel caso dei motori regolati in deriva-zione. Nella Figura 29 sono rappresenta~te le curve caratteristiche coppia veloci-tà di un motore con regolazione in serieriferita al carico delventilatore.Variazione della resistenza rotorica dei mo-

tori a corrente alternata del tipo induzione.Aumentando la resistenza degli avvol-gimenti del rotore in un motore ad indu-zione in corrente alternata, si diminuisce

la velocità corrispondente alla coppiamassima. Se i tenÌlinali degli avvolgi-menti del rotore vengono portati al-l'esterno del motore, con opportuni anelli

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di contatto, si potrà cambiare la resi- 1~!5stenza totale del circuito inserendouna resistenza esterna regolabile.Questa resistenza costituisce appun-to 1'elemento regolatore della velo-cità: nella misura in cui la velocitàdiminuisce, le perdite elettriche nelcircuito del rotore aumentano, e diciò bisogna tenere conto nella pro-gettazione del motore, perché lamaggior parte di queste perdite ver-ranno dissipate sotto forma di calorenella zona esterna del circuito. Que-sto metodo di regolazione della ve-locità, nel caso di alimentazioni incorrente alternata,è ottimo sotto ognipunto di vista e copre una gamma divelocità che va da quella massima adun punto molto prossimo all' arre-sto. Ciò nonostante il rapporto di velocità viene limitatogeneralmente al valore di 2/1 per avere un dispositivo diregolazione di dimensioni e costo ragionevoli.Regolazione della tensione dei motori ad induzione con rotore agabbia di scoiattolo.La coppia sviluppata da un motore a corrente alternata èproporzionale al quadrato della tensione applicata. Questoprincipio può essere sfruttato in un motore a corrente alter-nata con rotore in corto circuito, detto anche a gabbia discoiattolo, che abbia una resistenza rotorica elevata, perottenere una regolazione di velocità sulla base della caratte-ristica coppia- tensione. Com'è noto, anche la coppia delventilatore è proporzionale al quadrato della velocità e laFigura 30 mostra come avviene in tal caso la regolazionedella velocità del ventilatore. Bisogna porre attenzione nel-la progettazione del motore, perché la carcassa possa dissi-pare sotto forma di calore tutte le perdite addizionali deri-vanti dalla regolazione della velocità, aJ1€hein corrispon-denza di una portata d'aria ridotta.La riduzione di tensione si potrà ottenere per mezzo di unauto trasformatore, di una bobina o di una resistenza in seriee ciò permetterà, generalmente, una riduzione del 50% dellavelocità massima. In ogni caso con tale metodo la velocitàpotrà essere instabile, cioé si potranno presentare dellependolazioni; anche per tale ragione non conviene applica-re questo procedimento di regolazione ai motori di potenzasuperiore a 2 kW.Regolazionedellavelocitàconil sistemaWardLeonard.Questo procedimento consente una completa regolazionedella velocità su una gamma estesa, sia in un senso dirotazione sia nel senso inverso. Il principio della regolazioneWard Leonard consiste nel far funzionare un motore acorrente continua sotto eccitazione costante e nel variare latensione applicata all'indotto; ciò si ottiene, di solito, gene-rando la tensione dell'indotto con un motore generatorealimentato a corrente continua od alternata; la variazione ditensione sarà ottenuta regolando l'intensità di campo diquesto generatore. Il costo di tale apparecchiatura è piutto-sto elevato e ciò limiterà fortemente l'impiego di questosistema per variare la velocità dei ventilatori.Regolazione dei motori a corrente alternata a collettore.

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"'I motori a corrente alternata in serie

hanno caratteristiche simili a quelle deimotori a corrente continua in serie e

possono essere regolati nella stessa ma-niera. Questo procedimento di regola-zione generalmente non viene usato coni motori a commutazione, perché que-sti non si prestano per il comando deiventilatori. La regolazione di velocitàsu altri tipi di motore potrà invece esse-re effettuata cambiando la posizionedella spazzola. I motori a commutaziO""ne in corrente alternata non sono molto

usati, perché non presentano alcun par-ticolare vantaggio rispetto ai motori adinduzione con rotore avvolto.

Accoppiamenti a correnti parassite.Un accoppiamento a correnti parassiteè un dispositivo magnetico di trasmis-

sione della coppia posto tra il motore e la macchina coman-data. Al carico normale si ha uno slittamento del 3% circa

della velocità di comando. Quando tale giunto viene usatoper variazione della velocità, si può dire che il suo compor-tamento è molto simile a quello dei giunti idraulici a scorri-mento.

Regolazione a gradini su ventilatori controrotanti a due motori..Quando due motori a corrente continua in serie vengonoposti a loro volta in serie sulla rete di alimentazione, sirealizza una riduzione di velocità pari al 70% circa dellavelocità normale. Nel caso di motori a corrente continua in

derivazione, se si collegano in serie i rispettivi indotti la-sciando i campi in parallelo sulla linea di alimentazione,s'otterrà una riduzione di velocità pari a150% circa di quellenormale.

Questo metodo di collegamento dei motori in serie paralleloè relativamente poco costoso e consente di funzionare a due,diversi regimi, ma è applicabile soltanto per alimentazionia corrente continua.

Regolazione a gradini con motori a due velocità.I motori ad induzione a corrente alternata possono avere undoppio avvolgimento od un unico speciale avvolgimentoper funzionare a due velocità in modo del tutto soddisfacen-te e questo è un sistema molto semplice e relativamenre

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TubO-spira/afa Schauenburg

b) In fogli di lamierino avvolti a spirale: spessori minimi elunghezze qualsivoglia; notevole rigidità; da evitare i tipisemplicemente graffati e da preferire quelli saldati (almenoapunti). -

c) In faesite: di forma leggermente conica in modò da permet-tere gi1..lnzioni in opera maschio femmina con tenuta a mezzocanapa bitumata; montaggio necessariamente molto accura-to per,dare rigidità al complesso ed evitare perdite ai giunti;difficoltà nel riparare eventuali forature. Vantaggio: costru-zionediretta in cantiere con materiale a miglior mercato.d) In cart(i: costruiti in cantiere con macchine avvolgitrici;economia nella produzione ma risultati complessivamentepoco probanti (durata limitata, perdite ai giunti poco resi-stenti agli urti).e) In'legno bakelizzato: rivestimento interno ed esterno dibakelite;-perdite di carico notevolmente basse; prezzo note-vole, h:'ggeri, robusti.f) In tessuto-gommato: flessibili e pertanto solo per manda-ta; supporto dicofone passato con gomma allo spreading:economia nel magazzinaggio e nel trasporto; lunghezz~qualsivoglia; facilità di montaggio; facili agli strappi; rap~pezzi in opera abbastanza semplici; prezzo leggermenteminore (a parità di diametro) di quelli metallici; devonoessere montati a mezzo di sospensioni molto accostate perevitare ondulazioni e quindi perdite di carico.g) In tessuto e p.v.c.: trama e ordito in nylon impregnati sottoe sopra con p.v.c. (cloruro di polivinile); buona resistenza aglistrappi; flessibili e pertanto adatti alla sola mandata.h) Irrigiditi con spirale: esecuzione per i tipi in tessutogommato o in p.v.c.; è possibile l'impiego anche in aspira-zione; perdite di carico maggiori della norma.i) In semplice p.v.c.: spessori minimi, limitati a diametromassimo di 500 mm circa. Minima resistenza agli strappi;si induriscono e si tagliano se messi in opera a bassetemperature; basso prezzo d'acquisto.

2.15 Protezionial/'estremitàdelletubazioni

Arrivando il tubo di ventilazione a breve distanza dal fronte

di avanzamento/ la sua estremità è sottoposta ai dannidovuti alla proiezione durante lo sparo. Se la tubazione èmetallica il modo più ovvio di proteggerla è quello diricorrere ad un cappello in lamiera (spessore 6/10 mm) od


in tondino <jJ12 + 14 intrecciato, con l'avvertenza comdi evitare di strozzare la bocca di efflusso, dimensio

convenientemente l'apparecchio di protezione e sistdolo ad una distanza di almeno 1,5 volte il diametro -

l'estremità della condotta. Se si tratta invece di tubari

gommata o similare, il sistema più semplice consist~ricorrere ad uno spezzone metallico di circa 1+2 m dighezza (di egual diametro e munito, lato monte, di,rapido) da predisporre sempre in coda alla tubazione

2.16 Perditedi carico

I diagrammi delle perdite di carico riportati alle Figure~hanno dato risultati soddisfacenti e sono relativi rispetlmente a tubazioni usate, in lamierino d'acciaio, dirittesezione circolare ed a tubazioni flessibili in tessuto gO1

to (o p.v.c.) ben tesate e diritte. Da tener presentetubazioni flessibili, se appese a sostegni molto inter'formano festoni e le relative perdite di carico aument_cc-tal caso, a circa 1,3 volte i dati tabellari di Figura 37. Cdetto i dati di Figura 36 si riferiscono a tubi già usati ~;superfici parzialmente scabre, ma di norma riutilizzab:iIilavori di cantiere; per tubazioni nuove e lisce moltipli~dati di Figura 36 per 0,75. Nel calcolo della prevalista tic a di un impianto di ventilazione intervengono andperdite di carico relative al tronco di galleria perc.dall' aria; sono quasi sempre di scarsa entità ed in pr-'-non se ne tiene conto.

2.11 ~erditediportata

Al problema dell' ermeticità dei giunti non si è ancora tro~ta una soluzione di tutto riposo; una perdita del 6 + 7%perkm di tubazione in servizio è considerata normale, a meIm

che non si usi un sistema agiunto integrato (brevetto SchaueiEburg).Esce dal compito del presente promemoria il dettagliare ti~e caratteristiche dei vari giunti attualmente sul mercato;crlimiteremo ad accennare a:

a) I giunti semirigidi (muniti all'interno di guarnizione, ~gomma ed a chiusura rapida a leva) che consentono ~perfetta tenuta allo stato di nuovi se posti in opera correter

mente; non altrettanto se le tubazioni hanno subito deforma-Izioni anche poco sensibili.

b) Le fasce o nastri adesivi, che si prestano per tubazioni conestremità lisce e per impieghi limitati nel tempo; soffronoinfatti le lunghe permanenze in luoghi troppo umidi o tropposecchi.

Figura 37 - Perdite di carico in tubazioni fiessibiii, tessuto gommato, dritte,ben tese (peso specifico aria y= 1,2 Kg/m3)

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Figura 36 - Perdite di carico in tubazioni usate, in iamierino acciaio,dritte, di sezione circoiare (peso specifico aria y= 1,2 kg/m3)

c) Gli anelli di tenuta in gomma da calzare con leggerapressione sulle estremità da congiungere e qui assicuraticon filo di ferro o con semplici collari. Di sezione piatta osagomata, si prestano ad un montaggio rapido, ad unabuona tenuta (anche se l'allineamento non è perfetto).d) Sistemi a zip e stratch, ottimi in fase di lavoro ma delicatinel loro riutilizzo successivo.

Sistema Oidorid diventiiazione ad

aita turboienza peria diiuizione di gas

potenziaimenteespiosivi

26

3. VENTILAZIONEDI UNAGALLERIAA FOROCIECO:NORMATIVEINTERNAZIONALI isoiinee di veiocità

I sistemi di ventilazione utilizzati in

Europa (soprattutto in Francia e Sviz-zera) per lo scavo di galleria a foro ciecoseguono generalmente le regole indica-te nei paragrafi seguenti.Queste ultime sono di gran lunga piùrestrittive rispetto. alle indicazioni delcapitolo 2; probabilmenfe verranno re-cepite a breve anche in Italia. La diver-

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si tà sos tanzialmen te sta nel-

l'introduzione quasi obbli-gatoria di una doppia cana-lizzazione atta allo smalti-mento dei fumi nelle zone

di lavoro: aspirazione e con-temporanea mandata.

Guida al Tunnelling

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3.1Scavo di una,galleria a mezzo di esplosivo

3.1.1Eliminazionedellepolveri

a) Installazione di una tubazione di aspirazione che assicuriuna portata dal fronte all'esterno pari a 300 l/secper m2 disezione di scavo (a volte elevabile a 350 in funzione dellasituazione specifica). La distanza ottimale rispetto al frontedella bocchetta di aspirazione è data solitamente dalla se-guente formula (vedi grafico di Figura 38):

D = 5 x log (5)dove:

D =distanza in metri5 = sezione in m2

b) Durante le operazioni di perforazione e smarino la boccadi aspirazione della condotta deve essere portata in prossi-mità del fronte in modo tale che le polveri e i fumi generatidalle varie operazioni vengano assorbiti.

3.1.2Eliminazionedeigasgeneratidal/'esplosione

Dopo l'esecuzione della volata, l'evacuazione dei gas gene-rati dall' esplosione viene ottenuta a mezzo di una tubazioneausiliaria in mandata, posta leggermente arretrata ed aven-te portata minore risp(;!tto a quella aspirante (vedi Figura 39nel caso di utilizzo di acceleratori di flusso lungo l'asse dellagalleria).


3.1.3Eliminazionedeigasdiscaricocreatidaimotoriendotermici

Nel caso in cui vengano utilizzati veicoli con motore endo-termico all'interno della galleria, bisogna assicurare unaportata minima di ca. 50 li sec per HP presente in galleria.Questa portata non deve essere necessariamente aggiunta aquella richiesta per l'aspirazione.

3.2 Applicazionedelle normativeprecedenti

Indipendentemente da quanto indicato al 3.1.2 e per ri-spettare quanto riportato ai 3.1.1 e 3.1.3, si deve utilizzareun sistema di ventilazione che, a seconda dei casi, siasimile ad uno degli schemi sotto riportati:a) Quando la portata in aspirazione Qa richiesta (sulla basedei 300 li sec per m2 di sezione) è superiore alla portata Qmnecessaria per la diluizione dei gas generati dai motoridelle macchine adibite allo smarino in galleria (50 1/ secper Hp presente):- soffiare al fronte una portata Qa + Qr (dove Qr è la portatarichiesta per la diluizioJ;le dei gas di scarico) e aspirareuna portata Qa come indicato nello schema riportato inFigura 40;- devono essere aspirate separatamente le portate Qa e Qr

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Ventilazione - Guida al Tunnelling