Manuale per Reti tecnologiche.doc

CORSO DI IMPIANTI TERMOTECNICI – MANUALE DEL FOGLIO RETI TECNOLOGICHE

1. MANUALE D’USO DEL FOGLIO DI CALCOLO PER LE RETI

Il foglio di calcolo in Excel è predisposto per il dimensionamento delle reti tecnologiche sia per acqua (tubazioni) che per aria (canali).

Gli algoritmi di calcolo sono stati descritti nel Volume 3° del corso di Impianti Termotecnici. In questa sede si riprendono alcuni concetti di base per sola comodità espositiva.

Prima di affrontare nel dettaglio l’utilizzo del foglio elettronico è opportuno fare alcune osservazioni preliminari.

In genere la progettazione impiantistica mediante CAD termotecnici viene effettuata prevalentemente mediante programmi specifici e solo in casi particolari si utilizzano fogli elettronici.

In effetti un programma di calcolo presenta una serie di vantaggi quali, ad esempio:

una interfaccia utente specificatamente studiata e, di solito, di maggiore effetto;

un ausilio passo passo durante l’uso del programma;una maggiore facilità d’uso, in genere, del codice di calcolo poiché le

difficoltà operative sono mascherate dal programma;una serie di opzioni di calcolo e di stampa personalizzate e ottimizzate.Per contro si hanno, in genere, diversi svantaggi fra i quali si ricordano:una generale mancanza di trasparenza degli algoritmi di calcolo o

quanto meno delle sequenze operative utilizzate;una maggiore difficoltà, sempre in genere, di sapere che succederà (how

if) cambiando uno o più dati di calcolo;un effetto di impotenza operativa dovuto alla mancanza di sorgenti

(nella quasi totalità dei casi, ad eccezione del software libero): i programmi commerciali sono sempre una black box;

una maggiore difficoltà di ottimizzazione del progetto per la mancanza di consapevolezza e conoscenza complessiva del programma.

Un foglio di calcolo presenta caratteristiche complementari a quelle sopra indicate per cui l’uso di un foglio elettronico è certamente più delicato rispetto ad un programma commerciale ma certamente fornisce un feeling maggiore perché l’Utente conosce bene tutte le relazioni utilizzate, le loro interconnessioni e i loro effetti.

In definitiva l’uso del foglio Excel richiede una maggiore attenzione e fatica ma garantisce una consapevolezza assoluta dei risultati finali perché una relazione di calcolo può essere verificata, controllata e modificata.

Questi ultimi vantaggi mi hanno convinto a predisporre il foglio di calcolo qui descritto che ritengo fornisca anche un notevole apporto didattico al corso. Esso, infatti, può essere visto come una sorta di applicazione di quanto illustrato durante le lezioni frontali. Questo foglio elettronico è totalmente libero e privo di protezioni di alcun genere.

Spesso avviene che gli Allievi, una volta preso mano all’uso del foglio di calcolo, lo modifichino apportando modifiche non solo formali ma anche interessanti e sostanziali.

Le modifiche apportate dagli Allievi sono disponibili per tutti: basta richiederne copia al Docente del Corso.

1


Ho volutamente cercato di utilizzare, nella preparazione del foglio di calcolo, funzioni semplici (direi addirittura elementari) proprio per non creare difficoltà interpretative da parte degli Allievi.

Naturalmente ogni tipo di critica e/o di suggerimento sono bene accetti.

2


2. DIMENSIONAMENTO RETI PER L’ACQUA

2.1 RETI DI DISTRIBUZIONE IN ACCIAIOPer le reti ad acqua calda con tubazioni in acciaio si può immaginare un

algoritmo di progettazione a =costante schematizzato nelle seguenti fasi (che riepilogano quanto già detto nel 3° Volume del Corso di Impianti Termotecnici). Le relazioni che qui si riportano derivano dall’interpolazione degli abachi logaritmici già visti in lezione: chiamiamo queste relazioni con l’attributo di relazioni classiche.

Le operazioni che occorre effettuare per il dimensionamento a =costante sono le seguenti:

numerare i nodi della rete in modo da individuare, per ciascun circuito, i singoli tratti;

calcolare la portata di acqua calda per ciascun tratto terminale di

circuito mediante la p

Qmc T

;

calcolare la portata totale dei vari rami applicando il criterio di congruenza;

scegliere da catalogo una pompa di circolazione con prevalenza giudicata sufficiente per il tipo di impianto e per la portata totale sopra calcolata;

fissare la percentuale di perdite distribuite da utilizzare per il calcolo

della media di ogni circuito mediante la 1

dmedia RamiCircuito

ii

p

L

nella quale la

lunghezza totale è nota;calcolare per ciascun tratto il diametro teorico mediante gli abachi o

utilizzando la relazione1:0.36

0.23.84md

ove le unità di misura sono: d [mm], m [kg/h], [mm. c.a.];scegliere il diametro commerciale più vicino (in difetto o in eccesso) a

quello teorico sopra calcolato;calcolare la perdita specifica di pressione reale conseguente al diametro

commerciale selezionato mediante abaco o con la relazione:

con d [mm], m [kg/h], [mm. c.a.];calcolare la velocità effettiva del fluido corrispondente al diametro

commerciale selezionato mediante abaco o mediante la relazione:0.556 0.7780.00858w d

con d [mm], w [m/s], [mm. c.a.];calcolare le perdite distribuite del ramo, di i ip L , e le perdite

concentrate e quindi le perdite totale del ramo;

1 Queste relazioni sono desunte direttamente dagli abachi visti in precedenza.

3


ripetere le fasi precedenti per tutti i rami e quindi calcolare le perdite totali di ogni circuito mediante la relazione circuito iRami

p p ;ripetere il calcolo per tutti circuiti tenendo conto che i tratti comuni

sono già dimensionati (partendo dai circuiti più lunghi) e che di questi si conoscono le perdite specifiche vere e quindi nel calcolo della media si deve tenere conto solamente dei rami ancora da dimensionare e della p che hanno disponibile;

Confrontare le cadute di pressione di tutti i circuiti e provvedere al calcolo delle resistenze di compensazione (rispetto alla caduta di pressione maggiore) de circuiti più favoriti;

Verificare la scelta della pompa di circolazione.

2.2 RETI DI DISTRIBUZIONE IN RAMEPer tubi a bassa rugosità, quali sono le tubazioni in rame, si deve tenere

conto delle minori perdite per attrito. Usando ancora la relazione di Blasius, 0.250.316Re , si può calcolare:

1.750.25

4.750.214 ( / )m Pa md

ovvero:1.75

0.254.7514.68 ( . . / )m mmc a md

con d in (mm), in (m2/s), in (kg/m3) e portata in (kg/s) per il S.I. e (litri/ora) nel S.T. Si ricordi che per l’acqua sia che variano con la temperatura. Ad esempio si hanno:

Temperatura (°C) Viscosità cinematica m2/s)

Densità (kg/m3)

10 1.30 10-6 999.680 0.39 10-6 971.1

Tabella 1: Parametri termofisici per l’acqua

2.3 RELAZIONE DI HAZEN WILLIAMSIn alternative alle relazioni classiche si può utilizzare la nota relazione di

Hazen Williams:

con: portata del fluido, [l/m]; perdita specifica di pressione, [mm.ca/m];d diametro della tubazione, [mm];C costante funzione del tipo di tubazione: C=100 tubi in ghisa C=120 tubi in acciaio C=140 tubi in rame C=150 tubi in plastica.Dalla stessa relazione, nota si può calcolare il diametro della tubazione

con la relazione:

4


La scelta delle relazioni da utilizzare nel calcolo (classiche o Hazen Williams) è effettuata nel foglio di calcolo mediante una casella posta pari a 0 per il 1° metodo e 1 per il secondo.

2.4 USO DEL FOGLIO “TUBAZIONI”

2.4.1 IMPOSTAZIONE DEL FOGLIO DI CALCOLOIl foglio elettronico è suddiviso il 4 moduli denominati:

TUBAZIONI: modulo di calcolo per le reti di distribuzione dell’acqua;

CANALI: modulo di calcolo per le reti di distribuzione dell’aria;

DATI GENERALI TUBAZIONI:modulo cantenente alcuni dati di calcolo per le proprietà termofisiche dell’acqua;

INTERPOLAZIONE RESISTENZE: dati di calcolo per i coefficienti di interpolazione per il calcolo delle resistenze localizzate per le reti dell’aria.

Per il dimensionamento delle tubazioni occorre selezionare il primo modulo:

Si ha il foglio di calcolo che qui parzialmente si visualizza:

5


Nelle prime riche si hanno una serie di messaggi riepilogativi ed avvertenze d’uso. In alto a sinistra si hanno due riquadri che qui si ripetono:

Il primo riquadro consente di vedere un blocco di dati (di solito nascosto) contenente un elenco di diametri (interni) commerciali. Premendo il pulsantino + in alto si ha la visualizzazione del blocco:

6


Gli Allievi possono modificare e/o aggiungere altri dati utilizzando le funzioni di inserimento standard delle righe di Excel.

Premendo il secondo pulsantino + si ottiene l’allargamento del foglio di calcolo e la visualizzazione delle resistenze localizzate relative ai vari rami della rete.

7


Nella figura si possono osservare i dati presenti per la rete di esempio già presente nel foglio di calcolo. Di questi dati si parlerà nel prosieguo.

Il resto dello schermo si presenta come in figura seguente che subito commentiamo.

Nella prima parte si ha una nota che contiene un suggerimento ad utilizzare, inizialmente, il rapporto fra le cadute di pressione concentrate e

8

Colonna per tipologia tubazioni


distribuite (r.c.d.) diverso da zero e poi, per ottimizzare il calcolo a porlo pari a 0 in modo da usare le resistenze localizzate effettive2.

In basso si hanno due righe contenenti due informazioni. Nella prima riga si ha l’avvertenza che premendo l’icona + in alto:

si ha l’apertura del foglio con l’indicazione delle perdite localizzate e, nella prima colonna, l’indicazione del tipo di tubazione (ACCIAIO, RAME)

2 Si ricordi che le perdite localizzate dipendono dal diametro dei singoli tratti. Tuttavia questo valore è inizialmente non noto e pertanto il calcolo delle perdite localizzate è solo fittizio. Ecco perché è bene procedere inizialmente con un rapporto fissato dall’Utente e dopo aver dimensionato i singoli tratti affinare il calcolo ponendo r.c.d.=0 e quindi calcolando i valori corretti delle perdite localizzate.

9


La seconda riga avverte l’Utente che il foglio di calcolo contiene relazioni solo nelle celle colorate in rosa. Queste celle presenti nella prima riga debbono essere copiate nelle righe sottostanti relative ai nuovi rami della rete che si digitano per la formazione della rete in progetto.

In pratica, inizialmente il foglio di calcolo contiene alcuni dati relativi ad un progetto esempio iniziale. Questi possono essere tutti cancellati tranne quelli della prima riga, come illustrato nella figura seguente.

Successivamente, dopo l’immissione dei dati relativi alla rete che si intende progettare, si copieranno le celle colorate della prima riga nella righe nuove sottostanti e il foglio di calcolo è già operativa.

Procedendo all’esame delle prime righe si osserva che a destra del foglio si hanno le seguenti avvertenze.

Si ha una descrizione di simboli

Il secondo riquadro riporta le procedure operative che saranno meglio descritte nel prosieguo.

10


Infine il terzo riquadro indica una selezione possibile sul metodo di calcolo.

Il riquadro che viene richiamato è dato immediatamente a sinistra del foglio:

2.4.2 I DATI DA IMMETTERE NEL FOGLIO DI CALCOLOPrima di usare il foglio di calcolo occorre predisporre un layout della rete

di distribuzione che si vuole dimensionare. L’esempio presente nel foglio è relativo ad una rete di distribuzione che alimenta un edificio di tre piani aventi 5 stanze ciascuno. La rete parte dalla caldaia (indicata con C) e alimenta (con tubazioni in ACCIAIO) i tre collettori complanari di piano C1, C2 e C3. Da ciascuno dei collettori complanari si dipartono tubi (in RAME) che alimentano i radiatori (R1, R2, R3, R4 ed R5). Si hanno, nelle prime tre colonne, i dati riportati nella seguente figura.

Lo schema semplificato della rete in oggetto è indicato nella figura seguente. I tratti A-C1, B-C2 sono considerati tronchetti di lunghezza trascurabile e non sono stati conteggiati nel foglio elettronico.

11


Si osservino i seguenti dati:la denominazione dei rami (prima colonna) è libera: l’etichetta può

essere costruita come si desidera. Tuttavia una regola può essere la seguente: i nodo sono indicati con lettere (A, B, …);

i collettori complanari (se presenti) sono indicati con la lettera C seguita da una lettera (C1, C2, C3, …),

i terminali sono indicati con la lettera R per radiatori, F per fan coil, T per terminale generico. Ciascuna lettera è seguita da un numero per individuarne la sequenza (R1, R2, R3, ….).

Si osserva che seguendo questa semplice regola risulta poi semplice costruire i percorsi totali relativi a ciascun terminale, cioè costruire la sequenza dei tratti che compongono i singoli circuiti.

Ad esempio il circuito relativo al radiatore R5 del collettore C3 è dato dalla sequenza:

Mentre il circuito individuato dal radiatore R2 del collettore C2 è dato dalla sequenza:

In definitiva per formare il circuito basta osservare la stringa a destra del trattino di separazione, -, ed individuare il ramo successivo che questa stringa a destra del trattino. Si procede così a ritroso fino a quando l’ultima stringa a destra del trattivo è il nodo iniziale, in questo caso la caldaia C (ma può essere qualsivoglia simbolo, ad esempio P per pompa, RA per refrigeratore d’acqua, …).

12


Nella seconda colonna si ha una indicazione mnemonica dell’ambiente nel quale il terminale si trova: si osservi che solo i rami aventi come stringhe finali R1, R2, R3, … hanno un ambiente di riferimento. Tuttavia può anche aversi un ramo tutto compreso in un locale (ad esempio, centrale termica, corridoio, interpiano, ….) che si può indicare come dato mnemonico.

Nella terza colonna si ha la lunghezza fisica per andata + ritorno (non lunghezza totale equivalente perché le perdite localizzate sono calcolate separatamente) del ramo della 1° colonna.

Infine nella quarta colonna si ha il carico termico relativo a ciascun ramo. I dati in questa colonna hanno bisogno di qualche commento. Si inizia introducendo il carico termico dei rami finali (cioè quelli aventi, in questo esempio, i radiatori) poiché questo dato è immediatamente disponibile dai carichi termici calcolati per tutti i locali da riscaldare. Si ha la situazione della figura seguente:

I rami principali C2-C3, C1-C2, C-C1 hanno portate termiche date dalle somme delle portatetermiche dei rami che li seguono nello schema fisico della rete. Pertanto il ramo C2-C3 porta la portata termica data dalla somma delle portate termiche del rami C3-R1, C3-R2, C3-R3, C3-R4, C3-R5.

Utilizzando le caratteristiche del foglio elettronico si può far in modo che sia Excel a fare i calcoli: basta selezionare la cella del carico di C2-C3, scrivere = e poi puntare le celle dei carichi dei rami C3-R5, digirare + e puntare la cella del carico di C3-R4. Si procede in questo modo fino a selezionare i 5 carichi dei radiatori che sono allacciati al collettore C3.

13


Per il carico totale del ramo C2-C3 si ha il carico riportato nella successiva figura:

Adesso calcoliamo il carico termico totale del ramo principale C1-C2 che porta il carico termico di C2-C3 più la somma dei carichi termici dei collettori collegati al collettore complanare C2.

Pertanto si seleziona la cella del carico di C1-C2 e si digita = poi si punta la cella del carico C2-C3 e si digita ancora + e poi si selezionano le celle dei carichi dei rami C2-R1, C2-R2, C2-R3, C2-R4, C2-R5. Si ha la situazione delle seguente figura.

14


Alla fine si ha la situazione della seguente figura che riporta il valore calcolato pari a 3,982 kW.

In fine si procede allo stesso modo per il ramo principale C-C1 che porta la portata termica del ramo precedente C1-C2 più la somma dei carichi termici dei radiatori collegati al collettore complanare C1, cioè C1-R1, C1-R2, C1-R3, C1-R4, C1-R5. Si ha la situazione di figura seguente:

15


Premento ENTER si ha il calcolo finale, come indicato nella figura seguente:

Come si può osservare, avendo lo schema fisico della rete in fase di progetto ed usando le procedure standard di calcolo di Excel si può facilmente calcolare la portata totale dei rami principali.

Questa fase può apparire macchinosa ma in realtà è molto semplice, intuitiva e naturale.

Certo i programmi commerciali calcolano automaticamente le porate dei rami principali ma a patto di impostare la geometria della rete come lo stesso programma impone.

2.4.3 FASE DI CALCOLO DEI DIAMETRI DELLA RETEI dati inseriti come descritto nel precedente paragrafo possono essere

immediatamente utilizzati per il calcolo finale. Partendo da un foglio ripulito dei dati pecedenti (tranne per la prima riga che contiene le formule!) si ha la situazione riportata nella figura successiva. Si osservi che, oltre alla prima riga, si hanno solo i dati immessi nelle prime quattro colonne. Adesso occorre selezionare le celle colorate della prima riga e copiarle nelle celle sottostanti relative ai rami della rete già immessi. Per fare questo si seleziona con il mouse la prima riga, si digita ALT C, si posiziona il cursore nella cella

sotto la prima colorata, si selezionano le righe dalla seconda (si intende la seconda utile a partire la prima colorata) all’ultima (riga C3-R5) e si digita ALT V.

16


Si ottiene la situazione della figura seguente. Si osserva subito come si riempiono tutte le caselle del foglio elettronico.

I calcoli sono effettuati in conformità alle scelte progettuali fatte e in particolare:

il criterio di calcolo della perdita specifica di pressione a seconda del flag di selezione per il Hazen wWlliams (1) o per il metodo classico (0);

17


il calcolo delle perdite localizzate: inizialmente è bene porre o qualsivoglia rapporto desiderato, successivamente, dopo

aver dimensionato la rete si porrà il valore in modo da calcolare le perdite localizzate in modo corretto;

il calcolo della portata di acqua nei singoli rami viene effettuato automaticamente dal foglio di calcolo una volta fissato il salto di temperatura (differenza fra mandata e ritorno) e la temperatura di mandata dell’acqua secondo quanto indicato nelle celle:

La densità viene automaticamente calcolata da Excel nel foglio Dati Generali Tubazioni:

Se si seleziona questo foglio si osservano i dati di interpolazione per densità, viscosità ed altro, come indicato nella figura seguente.

L’Utente non deve apportare alcuna modifica a questo foglio che è da considerare come ausilio per il foglio di calcolo delle reti per l’acqua. Il foglio è comunque libero in modo che possa essere consultato dall’Allievo.

Ogni modifica effettuata ai dati presenti può provocare variazioni nei risultati di calcolo.

Adesso vediamo in dettaglio la fase di calcolo vera e propria. In primo luogo è opportuno bloccare le prime righe in modo che siano sempre visibili nello schermo quando co sposteremo nerso le ultime colonne. Per bloccare le colonne basta porre il mouse in corrispondenza della cella immediatamente al

18


di sotto della prima cella colorata e poi dal menù FINESTRA selezionare BLOCA RIQUADRI, come indicato in figura:

A questo punto si ha la situazione di figura seguente ove si osserva una riga verticale in corrispondenza del blocco effettuato.

19


Se ci si sposta verso l’ultima colonna del foglio di calcolo si ha la seguente situazione:

In pratica, in base al blocco effettuato, le prime quattro colonne sono rimaste visibili e a destra della linea verticale si hanno le ultime colonne del foglio (si osservi che il numero delle colonne visualizzate dipende dalla definizione del video e dal valore dello zoom prefissato).

Questa situazione risulta comoda per avere tutti i dati necessari per l’ottimizzazione progettuale della quale parleremo immediatamente.

Si osservi che nella prima colonna a destra della riga verticale si hanno i valori del DIAMETRO TEORICO (mm) che il calcolo propone secondo le relazioni indicate ad inizio capitolo.

Se usiamo la metafora di calcolo dell’abaco visto nel 3° Volume si ha una sitazione simile a quanto riportato nella seguente figura dove il diametro dato dall’intersezione della linea di portata massica con quella della perdita specifica di pressione non è un diametro commerciale.

20


I diametri teorici che troviamo in questa colonna sono quindi diametri che, in genere, non corrispondono a diametri commerciali.

Passando nella successiva colonna (DIAMETRO Comm. mm) l’Utente deve digitare un valore del diametro interno3 del tipo di tubazione scelta (ACCIAIO, RAME).

Per comodità operativa si è inserita, in corrispondenza di ogni cella di questa colonna, la possibilità di scelta mediante ELENCO. Basta, infatti, selezionare la cella e ciccare con il tasto sinistro per avere un menù del tipo indicato in figura seguente:

3 E’ la superficie interna della sezione di passaggio che viene utilizzata per il calcolo dei valori reali di calcolo.

21


Si osservi che l’elenco può essere scorso sia verso l’alto che verso il basso per selezionare il diametro corrispondente al tipo di tubazione desiderata, come si può osservare nella seguente figura:

ove si può osservare un elenco di diametri interni per tubi Acciao DIN. Gli elenchi indicati sono ispezionabili e modificabili sbloccando il riquadro in alto a sinistra del foglio, come già visto il precedenza:

Per selezionare il diametro desiderato basta ciccare con il mouse sul valore desiderato che verrà inserito automaticamente nella cella in elaborazione. Appena selezionato il diametro il foglio di calcolo aggiorna automaticamente tutti i valori a destra della colonna DIAMETRI Comm, come si può osservare nella seguente figura:

Le regole di selezione sono del tutto libere: di norma si selezionano diametri reali maggiori rispetto ai valori teorici per i rami principali

22


(attraversati da portate massiche notevoli) mentre si scelgono i diametri inferiori per i rami terminali (che di solito hanno portate massiche limitate al solo terminale finale).

Questa operazione di selezione dei diametri va ripetuta per ogni ramo del foglio di calcolo. Alla fine si avrà un primo risultato di calcolo che deve essere ulteriormente ottimizzato.

Le ultime due colonne appaiono piene di dati inizialmente non correlati all’elaborazione che si sta effettuando perché riportati dall’operazione di copia e incolla della prima riga, come si può osservare nella figura sottostante.

Queste due colonne esprimono le perdite totale (in Pa e in m.ca) di ciascun circuito. Si ricorda che ogni terminale determina un circuito che è sempre in parallelo ai capi della pompa di circolazione. Per riempire queste celle occorre effettuare una procedura di calcolo del tipo già indicato per il calcolo della portata totale dei rami principali. In pratica si procede a riempire la colonna delle Perdite totali in Pascal, la seconda colonna viene automaticamente calcolata dal foglio elettronico. Ad esempio per il circuito individuato dal ramo C3-R5 si ha la situazione di figura:

E poi procedendo allo stesso modo per gli altri circuiti (si osservi che i circuiti sono individuati dai soli rami aventi terminali finali) si ha la situazione rappresentata nella figura seguente:

23


Operazioni per il dimensionamento della reteQuando si dimensiona una rete di distribuzione d’acqua occorre ricordare

due punti fondamentali:la velocità dell’acqua non deve scendere sotto i 0,3 m/s per evitare il

ristagno delle bolle di aria che si possono formare;le perdite totali di pressione di ogni circuito della rete devono essere

eguali, essendo tutti i circuiti in parallelo con la pompa di circolazione. Se le perdite totali effettive sono diverse allora si avrà una ridistribuzione delle portate in modo tale da riequilibrare la rete allo stesso valore di caduta di pressione totale. Ne consegue che se si vuole avere la portata termica desiderata nei rami terminali4 occorre avere una rete il più possibile equilibrata5.

Avendo ora completate tutte le colonne, per bilanciare la rete basta selezionare i diametri commerciali6 dei vari rami in modo da ottenere valori di perdite di pressione totale quanto più possibile vicini. Va detto che proprio la sequenza discreta dei diametri commerciali rende questa operazione difficile e non sempre perfettamente eseguibile. Tuttavia va considerato che seppure non si può bilanciare perfettamente i circuiti si possono utilizzare le resistenze di bilanciamento, come indicato nel 3° Volume del Corso di Impianti Termotecnici.

Pertanto, effettata il migliore bilanciamento possibile, mediante una scelta ottimale di diametri commerciali dei vari rami, si deve poii ricorrere all’uso delle valvole tarate di compensazione. Il foglio di calcolo presenta un indiscutibile vantaggio: visualizzare contemporaneamente gli effetti delle selezione dei diametri commerciali sulla velocità effettiva e sulla perdita totale di ciascun circuito. L’Utente può immediatamente vedere gli effetti prodotti da

4 Si ricordi che la portata massica è correlata alla portata termica dalla relazione

p

Qmc T

5 Si ricordi che la rete equilibrata corrisponde ad una rete con eguale perdita totale di pressione per ciascun circuito.

6 Questa è l’unica operazione che possiamo effettuare perché tutte le altre grandezze (lunghezza, portata termica) sono bloccate e non modificabili in questa fase.

24


una qualunque scelta progettuale, ad esempio cambiando criterio di calcolo (Hazen Williams si o no), rapporto fra perdite concentrate e distribuite (rdc=1 o 1,5 o ancora 2, …..) o il salto di temperatura fra mandata e ritorno o, infine, il diametro commerciale di ciascun ramo.

Gli effetti ottenuti da ciascuna scelta (è chiaro che si possono fare tutte le scelte che si vogliono) sono immediatamente visibili nel foglio elettronico, soprattutto se si bloccano le prime colonne e si visualizzano le ultime colonne utili, come indicato nella figura: precedente ove si sono indicati con un riquadro rosso i dati sensibili ai fini dell’ottimizzazione di calcolo sopra descritta.

Sblocco delle resistenze localizzateEffettuata la prima fase di calcolo (che, invero, può anche essere

considerata definitiva nella maggioranza dei casi) si può ulteriormente affinare la progettazione della rete calcolando correttamente le perdite concentrate. Per fare questo occorre porre RDC=0 ed inserire, nel caso non siano già stete inserite in precedenza, le tipologie delle perdite localizzate di ciascun ramo, ottendo la situazione riportata in figura seguente:

25


Si osserva che sono cambiati i valori delle perdite totali dei singoli circuiti poiché sono (in genere) cambiate le perdite localizzate (e conseguentemente il rapporto RCD) di ciascun ramo.

Per visualizzare le perdite localizzate presenti per ciascun ramo basta sbloccare il riquadro, come già detto in precedenza e come riportato nella figura precedente. Si osserva che se la definizione grafica del video è bassa può essere necessario sbloccare le colonne per accedere al pulsante di sblocco resistenze localizzate. Per togliere il blocco dei riquadri basta andare nel menù FINESTRA e selezionare la voce SBLOCCA RIQUADRI, come indicato in figura seguente:

26


Le perdite localizzate che è possibile introdurre nel riquadro del foglio di calcolo, per ciascun ramo, sono le seguenti:

Numero di gomiti : per ciascun gomito si considera un fattore di resistenza7 pari a 0,5;

Numero di saracinesche di intercettazione: per ciascuna saracinesca si considera il fattore di resistenza pari a 0,8;

Numero di diramazione diritte: cioè si prende in considerazione il ramo diritto della T di derivazione presente. Per ciascuna diramazione diritta si considera il fattore di resistenza pari a 1.

Numero di diramazione angolo: cioè si prende in considerazione il ramo a 90° della T di derivazione presente. Per ciascuna diramazione d’angolo si considera il fattore di resistenza pari a 1,5;

Attraversamento di radiatore: per ciascun radiatore si considera il fattore di resistenza pari a 3;

Saracinesca di regolazione: per ciascuna saracinesca di regolazione si considera il fattore di resistenza pari a 1;

Collettore complanare: per ciascun collettore complanare si considera il fattore di resistenza pari a 2;

7 Qualora si desiderino applicare valori di resistenza di Darcy diversi da quelli qui indicati basta modificarne i valori nelle formule della colonna PERDITE CONCENTRATE. Si osserva che per semplicità si sono assunti valori costanti per non appesantire la complessità delle formule.

27


Attraversamento di caldaia: per ciascun attraversamento di caldaia si considera il fattore di resistenza pari a 4;

Resistenza aggiuntiva: digitare il fattore di carico C desiderato.Per un corretto inserimento dei dati è opportuno avere uno schema

geometrico della rete di distribuzione (basta anche un layout ben fatto) per individuare le singole resistenze localizzate (curve, saracinesche, …).

Si osserva che questi dati possono essere modificati e/o inseriti in qualunque momento e pertanto possono essere inseriti anche dopo la prima fase di calcolo illustrata precedentemente.

Una volta sistemato il riquadro delle perdite localizzate si può ritornare a riequilibrare la rete utilizzando i risultati ottenuti in precedenza.

Si osserva che ponendo RCD=0 il foglio di calcolo calcola il rapporto reale per ciascun ramo e poi il valore medio della rete in progetto:

In questo modo si può così osservare quanto l’ipotesi RDC=1 (nell’esempio prima considerato) sia corretta o quanto meno vicina al valore finale sopra calcolato.

2.4.4 USO DEL FOGLIO ELETTRONICO TUBAZIONI PER UN NUOVO PROGETTO

Per un nuovo progetto si procede come segue:Si cancellano tutte le righe tranne la prima;Si effettuano le scelte di progetto (Hazen Williams, DT, Ti), e si pone

RCD= valore iniziale;Si introducono i dati dei rami della rete in progetto;Si completa la colonna delle portate termiche dei rami principali;Si copia la prima riga (colorata in rosa) sulle righe nuove relative ai dati

introdotti per la rete i progetto;Si selezionano i diametri reali delle tubazioni ai valori suggeriti dal

foglio di calcolo;Si completa la colonna delle perdite totali (in Pascal) relative alle perdite

di ogni circuito. Si ricorda che per circuito si intende il percorso completo che da ogni terminale porta alla pompa.

Si bilancia la rete in modo da avere il più possibile perdite totale poco discoste per ciascun circuito;

Si pone RCD=0 e si inseriscono le perdite localizzate per ogni ramo;Si ottimizza il bilanciamento della rete.

2.4.5 STAMPA DEI RISULTATICompletata la fase di progetto si possono stampare i risultati finale

mediante le opzioni di Excel.Il riquadro di stampa (quello contenente i dati calcolati) è riportato nella

figura seguente. Si osservi che, al fine di ridurre il numero di colonne da stampare, può

essere conveniente chiudere i blocchi delle perdite localizzate dei diametri dei tubi commerciali.

28

CORSO DI IMPIANTI TERMOTECNICI – MANUALE DEL FOGLIO RETI TECNOLOGICHE 29


3. PROGRAMMI DI CALCOLO PER LE RETI DI DISTRIBUZIONE DELL’ARIA

3.1 CANALI PER LA DISTRIBUZIONE DELL’ARIARelazioni analoghe a quelle viste per le tubazioni possono essere trovate

per i canali d’aria. I passi di calcolo sono in tutto simili a quanto detto in precedenza per le reti per l’acqua. Occorre tenere presenti che tutti i terminali (diffusori e bocchette per l’aria) sono alla stessa pressione atmosferica e quindi una rete di distribuzione per l’aria è fatta di circuiti aperti.

Il primo tratto, quello principale uscente dalla soffiante di mandata, si dimensiona fissando la velocità di uscita variabile fra 4 ÷ 8 m/s. Si calcolano le grandezze relative, , w, Deq. La perdita specifica di pressione così ottenuta si attribuisce, costante, agli altri tronchi del circuito mediante la procedura iterativa seguente.

Il diametro equivalente è legato alla perdita specifica dalla relazione:0.36

0.215eqmD

ove le unità di misura sono: Deq [mm], m [m³/h], [mm. c.a.];Dato il diametro equivalente occorre scegliere una dimensione (nel caso

di canali rettangolari) e calcolare la seconda mediante la relazione:

0.625

0.251.3eq

a bD

a b

ove, si ricordi, si suppone che si mantengano costanti le perdite di pressione. Di solito le dimensioni pratiche di a e di b variano a passi di 50 mm e pertanto scelte le dimensioni effettive si ricalcala, tramite la stessa relazione precedente il Deq.Calcolare la perdita specifica di pressione reale conseguente al diametro

equivalente reale calcolato mediante abaco o con la relazione:1.8

5787500realeeq

mD

con d [mm], m [m³/h], [mm. c.a.];Calcolare la velocità effettiva del fluido corrispondente al diametro

equivalente selezionato mediante abaco o mediante la relazione:0.556 0.7780.21w d

con d [mm], w [m/s], [mm. c.a.];calcolare le perdite distribuite del ramo, di i ip L , e le perdite

concentrate e quindi le perdite totale del ramo;ripetere le fasi precedenti per tutti i rami e quindi calcolare le perdite

totali di ogni circuito mediante la relazione circuito iRamip p ;

ripetere il calcolo per tutti circuiti tenendo conto che i tratti comuni sono già dimensionati (partendo dai circuiti più lunghi) e che di questi si conoscono le perdite specifiche vere e quindi nel calcolo della media si deve

30


tenere conto solamente dei rami ancora da dimensionare e della p che hanno disponibile;

Confrontare le cadute di pressione di tutti i circuiti e provvedere al calcolo delle resistenze di compensazione (rispetto alla caduta di pressione maggiore) de circuiti più favoriti;

Verificare la scelta della soffiante di mandata ed, eventualmente, dell’aria di ripresa.

Per la distribuzione dell’aria occorre sempre prevedere le serrande di regolazione sia nei canali principali che a monte dei diffusori e delle bocchette di immissione per ottenere le effettive condizioni di lavoro di ciascun componente.

3.2 USO DEL FOGLIO CANALIL’impostazione del foglio CANALI è molto simile al foglio TUBAZIONI già

presentato.

In figura seguente si ha una vista parziale del foglio CANALI con un esempio già predisposto.

3.2.1 IMPOSTAZIONI DI CALCOLONella parte alta del foglio di calcolo si hanno alcuni suggerimenti e

posizioni per selezionare le possibili metodologie di calcolo.

31


Per il dimensionamento delle reti di canali si può scegliere fra il metodo a

cost ( ) o a velocità costante ( ).Inoltre, come abbiamo visto per le TUBAZIONI, si inizia ponendo il

rapporto fra le perdite concentrate e distribuite pari ad un valore diverso da

zero ( ) in modo da dimensionare prima i canali e poi valutare le perdite localizzate.

Le note dicono anche come selezionare un canale rettangolare ( ) da quello circolare (0), come illustrato nella figura seguente.

Si osservi che la rete d’aria qui ipoitizzata è al piano in quanto non sono previste le perdite gravimetriche che dovranno essere aggiunte a cura dell’Utente nel caso di rete su più piani di lavoro.

3.2.2 INPUT DEI DATISi procede analogamente a quanto visto per le TUBAZIONI. L’Utente

deve avere uno schema della rete di distribuzione da dimensionare. Esaminiamo un caso semplice come qui riportato.

Nelle prime quattro colonne si hanno il nome, l’indicazione dell’ambiente dove si trova la bocchetta di mandata, la lunghezza geometrica e la portata. Si ha la situazione di figura seguente:

32


Si osserva che la descrizione del ramo è del tutto libera: nell’esempio sopra descritto le bocchette sono indicate con numeri (1, 2, 3) mentre i nodi sono indicati con lettere (A, B, C). L’origine della rete è indicata con UTA.

L’indicazione dell’ambiente è riportata solamente se vi sono bocchette di mandata ma non si hanno vincoli per altre situazioni. La descrizione è solo mnemonica e di ausilio per l’Utente.

La lunghezza riportata è quella geometrica del ramo. Non occorre tenere conto di lunghezze equivalenti per le resistenze localizzate che sono calcolate separatamente.

La portata d’aria (espressa in mc/h) è immediata per i rami con bocchette terminali poiché questo dato deriva direttamente dal calcolo dei carichi termici di ambiente e dalla tipologia di impianto in progetto (a tutt’aria, aria primaria, ..).

Per le portate dei rami principali valgono le stesse regole viste per il dimensionamento delle tubazioni e cioè la portata deve essere calcolata tenendo conto del layout della rete. Ad esempio per il ramo UTA-A si ha la situazione di figura seguente dove sono anche rimarcate le celle (e quindi le porate) interessate al calcolo:

Dopo avere inserito i dati di portata il foglio elettronico calcola le portate in mc/s, kg/s e in L/s .

Restano ora da completare due colonne: il tipo di sezione e la perdita

specifica costante (se PSI.COST=1, ) o la velocità costante (se

PSI.COST=0,\ ), come illustrato nelle figure seguenti8.

8 Si osservi che per visualizzare le colonne più a destra di quelle visibili nello schermo si può ricorrere al blocco delle colonne, come già illustrato per TUBAZIONI, e far scorrere le colonne fino a visualizzare quelle interessate.

33


Se si seleziona lo sblocco sezioni( ) si ha l’apertura del foglio e la visualizzazione di altre colonne, come illustrato nelle seguente figura.

Si tratta, comunque, di colonne di servizio per il foglio elettronico.3.2.3 DIMENSIONAMENTO DELLA RETE CON RCD<>0

Completata la fase di input dei dati dei singoli rami si possono già osservare i risultati, come illustrato nella seguente figura:

Si osservi che si ha PSI.COST=1. Possiamo immediatamente porre PSI.COST=0 ed avere la situazione della figura seguente:

34


Si osserva subito una differenza sostanziale nel valore della base teorica per le due ipotesi:. Ovviamente i valori di velocità imposte nel secondo riquadro sono basse.

Le ultime due colonne del foglio forniscono le perdite totali dei circuiti determinati dalle singole bocchette. Tali perdite vanno calcolate, tramite i soliti strumenti di Excel, tenendo conto del layout della rete. Ad esempio per il ramo C-3 si ha la situazione di figura seguente:

Procedendo allo stesso modo per tutti i circuiti si perviene alla situazione di figura seguente:

L’ultima colonna (perdite totali in Pascal) è calcolata automaticamente dal foglio elettronico.

A questo punto si può ottimizzare il calcolo per equilibrare la rete. Vanno tenute in conto le seguenti considerazioni:

Per i canali rettangolari viene solitamente fissata l’altezza (a causa dei vincoli architettonici imposti al passaggio dei canali) e il foglio elettronico propone la base teorica (secondo le relazioni di calcolo illustrate ad inizio capitolo) e l’Utente digita la base effettiva che desidera imporre. Il foglio elettronico calcola quindi gli altri parametri di progetto;

35


Per canali circolari il foglio elettronico propone il diametro teorico e l’Utente digita il valore desiderato. Il foglio elettronico calcola gli altri parametri.

Qualunque sia il tipo di sezione, il foglio di calcolo fornisce la velocità reale, la perdita specifica reale, la perdita distribuita totale di ciascun ramo e la perdita concentrata totale del ramo (con RCD<>0).

L’Utente controlla le perdite totali dei singoli circuiti e varia la base reale o il diametro reale (a seconda del tipo di sezione) in modo da equilibrare il più possibile la rete.

3.2.4 DIMENSIONAMENTO DELLA RETE CON RCD=0Effettuata la prima fase della progettazione (sia a psi costante che a

velocità costante) si può ora tenere conto delle effettive perdite localizzate

della rete. Quest’operazione si effettua imponendo RCD=0 ( . A questo punto occorre introdurre i dati relativi alla resistenze localizzate.

Inizialmente si sblocca il riquadro delle resistenze localizzate (

) ottendo la situazione di figura:

Le tipologie di resistenze localizzate considerate sono le seguenti:Curva a 90°;Allargamento graduale: con rapporto A1/A2 (monte/valle) imposto;Allargamento brusco: si digita M per la resistenza del ramo a monte e V

per quella a valle;Allargamento graduale: con angolo (in gradi) imposto;Restringimento brusco. Con rapporto A2/A1 (valle/monte) imposto;Restringimenti graduale: con angolo (in gradi) imposto;Bocchetta di mandata. Il valore del fattore di attrito localizzato è

indicato nel riquadro e può essere variato a piacimento;

36


Diffusore: Il valore del fattore di attrito localizzato è indicato nel riquadro indicando in precedenza

UTA: Il valore del fattore di attrito localizzato è indicato nel riquadro indicato in precedenza. Si osserva che il valore qui riportato, 6, è elevato e tiene conto delle perdite di attraversamento della UTA (bocchetta di aspirazione, plenum, filtri, batterie varie, umidificatori, separatore di goccie, ventilatore, bocchetta di mandata,…). Se si desidera effettuare il calcolo delle perdita di pressione utile (cioè per la distribuzione dell’aria nella rete) allora è bene non inserire questa voce. Il valore del fattore di Darcy può comunque essere variato a piacimento;

Altre resistenze localizzate: in questo caso occorre digitare il fattore di attrito desiderato.

Per il calcolo dei fattori di darcy delle sin gole perdite si veda il foglio INPERPOLAZIONE RESISTENZE che riporta i dati di interpolazione indicati in figura.

Tutti i dati sono modificabili dall’Utente ma si consiglia di operare con cautela per non inficiare il corretto funzionamento del foglio di calcolo.

37


Dopo aver digitato le resistenze localizzate presenti nei singoli rami della rete si può chiudere il riquadro e procedere all’ottimizzazione del bilanciamento della rete.

Si osservi che il rapporto RCD calcolato reale è dato dalla cella

Occorre porre molta attenzione ad inserire le reali perdite localizzate perché queste influenzano molto le cadute di pressioni totali, come si può osservare dal real rapporto RCD.

Effettuato il bilanciamento della rete, eventualmente calcolando la resistenza di taratura, si può concludere il calcolo della rete di distribuzione dell’aria.

3.2.5 USO DEL FOGLIO ELETTRONICO CANALI PER UN NUOVO PROGETTOAnalogamente a quanto visto per il foglio TUBAZIONI anche per il foglio

CANALI si procede come segue:Si cancellano tutte le righe tranne la prima;

38


Si effettuano le scelte di progetto (PSI.COST o VEL.COST), e si pone RCD= valore iniziale;

Si introducono i dati dei rami della rete in progetto;Si completa la colonna delle portate volumetriche dei rami principali;Si copia la prima riga (a partire dalla 5° colonna fino alla fine) sulle

righe nuove relative ai dati introdotti per la rete i progetto;Si selezionano le basi reali per i canali rettangolari e i diametri reali per

quelli circolari in base ai valori suggeriti dal foglio di calcolo;Si completa la colonna delle perdite totali (in Pascal) relative alle perdite

di ogni circuito. Si ricorda che per circuito si intende il percorso completo che da ogni bocchetta porta alla soffiante.

Si bilancia la rete in modo da avere il più possibile perdite totale poco discoste per ciascun circuito;

Si pone RCD=0 e si inseriscono le perdite localizzate per ogni ramo;Si ottimizza il bilanciamento della rete.

3.2.6 STAMPA DEI RISULTATI DI CALCOLOCompletato il progetto si passa alla stampa con le solite procedure di

Excel. Si ha una stampa simile a quella riportata in figura.

Per evitare di stampare molte righe è opportuno chiudere tutti i riquadri.

39


INDICE GENERALE

1. MANUALE D’USO DEL FOGLIO DI CALCOLO PER LE RETI 1

2. DIMENSIONAMENTO RETI PER L’ACQUA 2

2.1 RETI DI DISTRIBUZIONE IN ACCIAIO 22.2 RETI DI DISTRIBUZIONE IN RAME 32.3 RELAZIONE DI HAZEN WILLIAMS 32.4 USO DEL FOGLIO “TUBAZIONI” 32.4.1 IMPOSTAZIONE DEL FOGLIO DI CALCOLO 32.4.2 I DATI DA IMMETTERE NEL FOGLIO DI CALCOLO 92.4.3 FASE DI CALCOLO DEI DIAMETRI DELLA RETE 13

Operazioni per il dimensionamento della rete 20Sblocco delle resistenze localizzate 21

2.4.4 USO DEL FOGLIO ELETTRONICO TUBAZIONI PER UN NUOVO PROGETTO 232.4.5 STAMPA DEI RISULTATI 23

3. PROGRAMMI DI CALCOLO PER LE RETI DI DISTRIBUZIONE DELL’ARIA 25

3.1 CANALI PER LA DISTRIBUZIONE DELL’ARIA 253.2 USO DEL FOGLIO CANALI 263.2.1 IMPOSTAZIONI DI CALCOLO 263.2.2 INPUT DEI DATI 273.2.3 DIMENSIONAMENTO DELLA RETE CON RCD<>0 293.2.4 DIMENSIONAMENTO DELLA RETE CON RCD=0 303.2.5 USO DEL FOGLIO ELETTRONICO CANALI PER UN NUOVO PROGETTO 323.2.6 Stampa dei risultati di calcolo 32

40

Manuale per Reti tecnologiche.doc

Documents

Transcript of Manuale per Reti tecnologiche.doc