Misurazione della velocità dell'aria
Introduzione Nel campo della climatizzazione, del riscaldamento e della ventilazione, è utile comprendere le tecniche utilizzate per determinare la velocità dell'aria. In questo campo, la velocità dell'aria (distanza percorsa per unità di tempo) è solitamente espressa in piedi al minuto (FPM). Moltiplicando la velocità dell'aria per l'area della sezione trasversale di un condotto, è possibile determinare il volume d'aria che fluisce oltre un punto nel condotto per unità di tempo. Il flusso volumetrico è solitamente misurato in piedi cubi al minuto (CFM).
Le misurazioni della velocità o del volume possono spesso essere utilizzate con manuali di ingegneria o informazioni di progettazione per rivelare le prestazioni adeguate o inadeguate di un sistema di flusso d'aria. Gli stessi principi utilizzati per determinare la velocità sono preziosi anche quando si lavora con sistemi di trasporto pneumatico, flusso di gas di combustione e gas di processo. Tuttavia, in questi campi le unità comuni di velocità e volume sono talvolta diverse da quelle utilizzate nel settore della climatizzazione.
Per spostare l'aria, di solito si utilizzano ventilatori o soffianti. Questi funzionano impartendo movimento e pressione all'aria con un'elica a vite o una palette. In caso la forza o la pressione delle pale del ventilatore provocano il movimento dell'aria, l'aria in movimento acquisisce una componente di forza o pressione nella sua direzione o movimento a causa del suo peso e della sua inerzia. Per questo motivo, una bandiera o uno striscione risaltano nel flusso d'aria. Questa forza è chiamata pressione di velocità. È misurata in pollici di colonna d'acqua (w.c.) o in pollici di mercurio (w.g.). Nei sistemi di condotti in funzionamento è sempre presente una seconda pressione. È indipendente dalla velocità o dal movimento dell'aria. Conosciuta come pressione statica, agisce in modo uguale in tutte le direzioni. Nel settore della climatizzazione, anche questa pressione viene misurata in pollici w.c.
Nei sistemi di pressione o di fornitura, la pressione statica sarà positiva sul lato di scarico del ventilatore. Nei sistemi di scarico, una pressione statica negativa uscirà sul lato di ingresso del ventilatore. Quando un ventilatore è installato a metà strada tra l'ingresso e lo scarico di un sistema di condotti, è normale avere una pressione statica negativa all'ingresso del ventilatore e una pressione statica positiva allo scarico.
La pressione totale è la combinazione delle pressioni statica e di velocità ed è espressa nelle stesse unità di misura. Si tratta di un concetto importante e utile per noi perché è facile da determinare e, sebbene la pressione di velocità non sia facile da misurare direttamente, può essere determinata facilmente sottraendo la pressione statica dalla pressione totale. Questa sottrazione non deve essere effettuata matematicamente. È possibile eseguirla automaticamente con il collegamento dello strumento.
Rilevamento della pressione statica
Per la maggior parte delle applicazioni industriali e scientifiche, le uniche misurazioni dell'aria necessarie sono quelle della pressione statica, della pressione totale e della temperatura. Con queste, è possibile calcolare rapidamente la velocità e il volume dell'aria.
Per rilevare la pressione statica, vengono comunemente utilizzati cinque tipi di dispositivi. Questi sono collegati con un tubo a uno strumento indicatore di pressione. La Fig. 1-A mostra un semplice rubinetto di pressione statica a parete. Si tratta di un'apertura affilata e priva di sbavature attraverso la parete di un condotto, dotata di un collegamento tubolare di qualche tipo all'esterno. L'asse del rubinetto o dell'apertura deve essere perpendicolare alla direzione del flusso. Questo tipo di rubinetto o sensore viene utilizzato dove il flusso d'aria è relativamente lento, regolare e senza turbolenze. In presenza di turbolenze, l'impatto, l'aspirazione o la distribuzione non uniforme dell'aria in movimento all'apertura possono ridurre significativamente l'accuratezza delle letture.
Fig. 1-B shows the Dwyer No. A-308 Static Pressure Fitting. Designed for simplified installation, it is easy to install, inexpensive, and provides accurate static pressure sensing in smooth air at velocities up to 1500 FPM.
La Fig. 1-B mostra il raccordo per pressione statica Dwyer n. A-308. Progettato per un'installazione semplificata, è facile da installare, economico e fornisce un rilevamento accurato della pressione statica in aria liscia a velocità fino a 1500 FPM.
La Fig. 1-C mostra un semplice tubo che attraversa la parete. Le limitazioni di questo tipo sono simili a quelle del tipo a parete 1-A.
La Fig. 1-D mostra una punta per pressione statica ideale per applicazioni quali il rilevamento della pressione statica attraverso filtri dell'aria industriali e serpentine refrigeranti. In questo caso, la probabilità di turbolenze dell'aria richiede che le aperture di rilevamento della pressione siano posizionate lontano dalle pareti del condotto per ridurre al minimo l'impatto e l'aspirazione e garantire così letture accurate. Per un'installazione permanente di questo tipo, viene utilizzata la punta di pressione statica Dwyer n. A-301 o A-302. Rileva la pressione statica attraverso fori praticati radialmente vicino alla punta e è possibile utilizzarla con velocità del flusso d'aria fino a 12.000 FPM.
La Fig. 1-E mostra una punta di pressione statica a bassa resistenza Dwyer n. A-305. È progettata per l'uso in aria carica di polvere e per applicazioni che richiedono una risposta rapida. È consigliata dove è necessaria una pressione di azionamento molto bassa per un pressostato o un manometro indicatore, oppure dove il tempo di risposta è fondamentale. Misurazione della pressione totale e della pressione di velocità
Nel rilevare la pressione statica, facciamo ogni sforzo per eliminare l'effetto del movimento dell'aria. Tipo di sensore: Per determinare la pressione dinamica, è necessario determinare questi effetti in modo completo e accurato. Questo di solito viene fatto con un tubo di impatto che si affaccia direttamente nel flusso d'aria. Questo tipo di sensore è spesso chiamato "pick-up di pressione totale" poiché riceve gli effetti sia della pressione statica che della pressione dinamica.
Nella Fig. 2, si noti che è possibile collegare contemporaneamente collegamenti statici separati (A) e collegamenti di pressione totale (B) attraverso un manometro (C). Poiché la pressione statica viene applicata su entrambi i lati del manometro, il suo effetto viene annullato e il manometro indica solo la pressione dinamica.
Per tradurre la pressione dinamica in velocità effettiva è necessario effettuare calcoli matematici, fare riferimento a grafici o tabelle, oppure calibrare preventivamente il manometro in modo che indichi direttamente la velocità. In pratica questo tipo di misurazione viene solitamente effettuato con un tubo di Pitot che incorpora sensori di pressione statica e totale in un'unica unità.
Essenzialmente, un tubo di Pitot è costituito da un tubo di impatto (che riceve l'input di pressione totale) fissato concentricamente all'interno di un secondo tubo di diametro leggermente maggiore che riceve l'input di pressione statica dai fori di rilevamento radiali intorno alla punta. Lo spazio d'aria tra i tubi interno ed esterno consente il trasferimento della pressione dai fori di rilevamento al collegamento della pressione statica all'estremità opposta del tubo di Pitot e quindi, attraverso un tubo di collegamento, al lato di bassa o negativa pressione di un manometro. Quando il tubo della pressione totale è collegato al lato di alta pressione del manometro, la pressione di velocità viene indicata direttamente. Vedi Fig. 3.
Since the Pitot tube is a primary standard device used to calibrate all other air velocity measuring devices, it is important that great care be taken in its design and fabrication. In modern Pitot tubes, proper nose or tip design - along with sufficient distance between nose, static pressure taps and stem - will minimize turbulence and interference. This allows use without correction or calibration factors. All Dwyer Pitot tubes are built to AMCA and ASHRAE standards and have unity calibration factors to assure accuracy.
Poiché il tubo di Pitot è un dispositivo standard primario utilizzato per calibrare tutti gli altri dispositivi di misurazione della velocità dell'aria, è importante prestare grande attenzione alla sua progettazione e fabbricazione. Nei moderni tubi di Pitot, un design adeguato del nasello o della punta, insieme a una distanza sufficiente tra il nasello, i rubinetti di pressione statica e lo stelo, ridurrà al minimo la turbolenza e le interferenze. Ciò consente l'uso senza fattori di correzione o calibrazione. Tutti i tubi di Pitot Dwyer sono costruiti secondo gli standard AMCA e ASHRAE e hanno fattori di calibrazione unitari per garantire l'accuratezza.
Per garantire letture accurate della velocità dinamica, la punta del tubo di Pitot deve essere puntata direttamente (parallelamente) verso il flusso d'aria. Poiché la punta del tubo di Pitot è parallela al tubo di uscita della pressione statica, quest'ultimo può essere utilizzato come indicatore per allineare correttamente la punta. Quando il tubo di Pitot è allineato correttamente, l'indicazione della pressione sarà massima. Poiché non è possibile ottenere letture accurate in un flusso d'aria turbolento, il tubo di Pitot deve essere inserito ad almeno 8-1/2 diametri del condotto a valle di gomiti, curve o altri ostacoli che causano turbolenze. Per garantire misurazioni più precise, le pale raddrizzatrici devono essere posizionate a 5 diametri del condotto a monte del tubo di Pitot.
Come effettuare letture trasversali
In situazioni pratiche, la velocità del flusso d'aria non è uniforme su tutta la sezione trasversale di un condotto. L'attrito rallenta l'aria che si muove vicino alle pareti, quindi la velocità è maggiore al centro del condotto.
Per ottenere la velocità totale media in condotti di diametro pari o superiore a 4", è necessario effettuare una serie di letture della pressione di velocità in punti di uguale area. Si consiglia di seguire uno schema formale di punti di rilevamento lungo la sezione trasversale del condotto. Queste letture sono note come letture trasversali. La figura 4 mostra le posizioni consigliate dei tubi di Pitot per la traversata di condotti rotondi e rettangolari.
Nei condotti rotondi, le letture della velocità devono essere effettuate al centro di aree concentriche di uguale superficie. È necessario effettuare almeno 20 letture lungo due diametri. Nei condotti rettangolari, vengono effettuate da un minimo di 16 a un massimo di 64 letture al centro di aree rettangolari di uguale superficie. Le velocità effettive per ciascuna area vengono calcolate dalle singole letture della pressione dinamica. Ciò consente di verificare la presenza di errori o incongruenze nelle letture e nelle velocità. Le velocità vengono quindi mediate.
Effettuando le letture del tubo di Pitot con estrema cura, è possibile determinare la velocità dell'aria con una accuratezza del ±2%. Per ottenere la massima accuratezza, è necessario osservare le seguenti precauzioni:
- Il diametro del condotto deve essere almeno 30 volte il diametro del tubo di Pitot.
- Posizionare la sezione del tubo di Pitot in modo che ci siano almeno 8-1/2 diametri del condotto a monte e almeno 1-1/2 diametri a valle del tubo di Pitot, senza gomiti, variazioni di dimensioni o ostruzioni.
- Fornire un raddrizzatore di flusso di tipo a griglia a 5 diametri del condotto a monte del tubo di Pitot.
- Effettuare una traversata completa e accurata.
In condotti di piccole dimensioni o dove le operazioni di traversata sono altrimenti impossibili, è spesso possibile ottenere un'accuratezza del ±5% posizionando il tubo di Pitot al centro del condotto. Determinare la velocità dalla lettura, quindi moltiplicare per 0,9 per ottenere una media approssimativa.
Calcolo della velocità dell'aria dalla pressione dinamica
I manometri da utilizzare con un tubo di Pitot sono disponibili in due tipi di scala. Alcuni sono realizzati appositamente per la misurazione della velocità dell'aria e sono calibrati direttamente in piedi al minuto. Sono corretti per condizioni atmosferiche standard, ovvero una densità dell'aria di 0,075 libbre per piede cubo, che corrisponde ad aria secca a 70 °F, pressione barometrica di 29,92 pollici Hg. Per correggere la lettura della velocità in condizioni atmosferiche diverse da quelle standard, è necessario conoscere la densità effettiva dell'aria. È possibile calcolarla se si conoscono l'umidità relativa, la temperatura e la pressione barometrica.La maggior parte delle scale dei manometri sono calibrate in pollici d'acqua. Utilizzando le letture di tale strumento, la velocità dell'aria può essere calcolata utilizzando la formula di base:
Most manometer scales are calibrated in inches of water. Using readings from such an instrument, the air velocity may be calculated using the basic formula:
Con aria secca a 29,9 pollici di mercurio, la velocità dell'aria può essere letta direttamente dai grafici di flusso della velocità dell'aria. Per l'aria parzialmente o completamente satura è necessaria un'ulteriore correzione. Per risparmiare tempo nella conversione della pressione dinamica in velocità dell'aria, è possibile utilizzare il calcolatore della velocità dell'aria Dwyer. Si tratta di un semplice regolo calcolatore che fornisce tutti i fattori necessari per calcolare la velocità dell'aria in modo rapido e accurato. È incluso come accessorio con ogni tubo di Pitot Dwyer.
Per utilizzare il calcolatore Dwyer:
- Impostare l'umidità relativa sulla scala fornita. Sulla scala opposta alla temperatura nota del bulbo secco, leggere il fattore di correzione.
- Impostare la temperatura sotto la scala della pressione barometrica. Leggere la densità dell'aria sopra il fattore di correzione stabilito al punto 1.
- Sull'altro lato del calcolatore, impostare la lettura della densità dell'aria appena ottenuta sulla scala fornita.
- Sotto la lettura del tubo di Pitot (pressione di velocità, pollici d'acqua) leggere la velocità dell'aria, piedi al minuto.
Determinazione della portata volumetrica
Una volta nota la velocità media dell'aria, la portata d'aria in piedi cubi al minuto può essere facilmente calcolata utilizzando la formula:
Q = AV
Dove: Q = Quantità di flusso in piedi cubi al minuto.
A = Area della sezione trasversale del condotto in piedi quadrati.
V = Velocità media in piedi al minuto.
Determinazione del volume d'aria tramite resistenza calibrata
I produttori di filtri dell'aria, serpentine di raffreddamento e condensatori e apparecchiature simili spesso pubblicano dati dai quali è possibile determinare il flusso d'aria approssimativo. È caratteristico di tali apparecchiature causare una caduta di pressione che varia in proporzione al quadrato della portata. La figura 5 mostra un filtro tipico e una curva che rappresenta il flusso d'aria in funzione della resistenza. Poiché è tracciata su carta logaritmica, appare come una linea retta. Su questa curva, un filtro pulito che provoca una caduta di pressione di 0,50" w.c. indicherebbe un flusso di 2.000 CFM.
Ad esempio, ipotizzando le specifiche del produttore per un filtro, una serpentina, ecc.:
Altri dispositivi per la misurazione della velocità dell'aria
È disponibile in commercio un'ampia gamma di dispositivi per la misurazione della velocità dell'aria. Questi includono anemometri a filo caldo per basse velocità dell'aria, anemometri a palette rotanti e oscillanti e flussometri ad area variabile.
Il misuratore d'aria Dwyer modello 460 è uno degli anemometri a flussometro ad area variabile più popolari ed economici. Veloce e facile da usare, è uno strumento portatile calibrato per fornire una lettura diretta della velocità dell'aria. Una seconda scala è presente sull'altro lato del misuratore per leggere la pressione statica in pollici w.c. Il misuratore di portata d'aria 460 è ampiamente utilizzato per determinare la velocità e il flusso dell'aria nei condotti e dalle griglie e dai diffusori di mandata e di ritorno. Sono disponibili due gamme di scala (alta e bassa) con calibrazioni sia in FPM che in pollici w.c.
Per verificare l'accuratezza
Utilizzare solo dispositivi di precisione certificata. Tutti gli anemometri e (in misura minore) i manometri portatili devono essere controllati regolarmente rispetto a uno standard primario, come un calibro a gancio o un micromanometro di alta qualità. In caso di dubbi sull'accuratezza dei prodotti, restituirli alla fabbrica Dwyer Instruments per un controllo completo della calibrazione.
