Il locale batterie

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In ambito industriale è frequente l'uso di carrelli elevatori elettrici e di sistemi statici di continuità. Queste macchine sono corredate di un gruppo batterie ricaricabili che forniscono l'energia necessaria al corretto funzionamento dell'apparecchiatura.

Emissione di idrogeno

In ambito industriale è frequente l'uso di carrelli elevatori elettrici e di sistemi statici di continuità. Queste macchine sono corredate di un gruppo batterie ricaricabili che forniscono l'energia necessaria al corretto funzionamento dell'apparecchiatura. Nel funzionamento ordinario le batterie ermetiche non emettono gas in quantità significativa; possono però emetterne durante la fase di ricarica o in caso di sovratemperatura interna causata, ad esempio, da un cortocircuito non prontamente interrotto dai dispositivi di protezione, con conseguente attivazione delle valvole di sfogo per la sovrapressione interna.

I gas emessi contengono essenzialmente idrogeno che forma con l’aria una miscela esplosiva se in concentrazione superiore al 4%.

Le norme EN 50272-2 ed EN 50272-3 prevedono che la concentrazione di idrogeno sia mantenuta significativamente al di sotto della suddetta soglia attraverso un'idonea ventilazione.

Ventilazione necessaria

Secondo le norme, la portata d’aria di ventilazione che mantiene la concentrazione di idrogeno al di sotto del 4%, è:

Q = 0,05 * n * Igas * Crt / 1000

dove: Q = portata d’aria [mc/h]; n = numero elementi della batteria; Igas = corrente che produce gas [mA / Ah]; Crt = capacità nominale della batteria [Ah].

La ventilazione naturale

Con la ventilazione naturale il ricambio dell’aria avviene attraverso l’effetto camino. L’aria calda del locale fuoriesce da un’apertura posta verso la sommità del locale stesso e viene rimpiazzata da aria più fresca che entra da un’apertura posta verso la parte bassa del locale. È necessario che il flusso d’aria investa il corpo da raffreddare.

La ventilazione forzata

Con la ventilazione forzata il ricambio d’aria avviene tramite un ventilatore che aspira l’aria calda da dentro il locale e la espelle verso l’esterno. Per il reintegro dell’aria espulsa sono sempre necessarie griglie di ventilazione per la ripresa. E’ fondamentale anche in questo caso che il flusso d’aria investa il gruppo elettrogeno: una griglia di ripresa sulla stessa parete della ventola di estrazione sarebbe quasi del tutto inutile (per ovviare al problema è sufficiente canalizzare l’aria sulla parete opposta a quella di espulsione dell’aria).

Distanza di sicurezza

Le norme EN 50272-2 ed EN 50273 considerano, anche in presenza della ventilazione sopraindicata, una zona con pericolo di esplosione di tipo 1. È pertanto necessario determinare l’estensione di questa zona. L’estensione della zona è pari a:

d = 28,8 * rad3 (Igas * C)

dove: d = estensione della zona 1 espressa in mm;  Igas = corrente che produce gas [mA / Ah]; C = capacità della batteria.

Batterie da UPS

Ricambi d'aria per evitare il pericolo di esplosione

Le batterie usate negli UPS sono di tipo sigillate o ermetiche, dette VRLA (valve regulated lead acid battery):

Se sono disponibili le caratteristiche del pacco batterie si applicano le fornule riportate sopra.

Se non si ha questo dato a disposizione, si può procedere come segue:

Nel caso di batterie VRLA il termine Igas, salvo diverse indicazioni del costruttore, può essere assunto pari a 8 (norme EN 50272-2 ed EN 50272-3).

Restano da determinare il numero di elementi e la loro capacità. Per riuscire ad ottenere un risultato a priori è necessario fare una breve considerazione sul significato fisico di potenza ed energia.
La potenza è l'energia riferita all'unità di tempo, cioè un UPS di potenza 100 kVA funzionante per un'ora avrà erogato un'energia pari a 100 kVA * 1h = 100 kVAh.
Quando utilizziamo una batteria possiamo dire che l'energia chimica in essa contenuta è data dal prodotto della sua tensione nominale per la sua capacità; una batteria 12V - 7Ah sarà pertanto in grado di erogare un'energia pari a 84 VAh.

Pertanto per poter erogare 100 kVAh saranno necessarie circa 1.190 batterie da 12V - 7Ah ( 100.000 VAh / 84 VAh = 1.190). Considerato che le batterie VRLA 12V - 7Ah sono costituite generalmente da 6 elementi, avremo che sono presenti 6 * 1.190 = 7.140 elementi.

Se ipotizziamo, a favore della sicurezza, di utilizzare anche su UPS di potenze notevoli sempre batterie 12V - 7Ah, avremo che

n * Crt = Pups * Taut * 6 / 12 = 0,5 * Pups * Taut

dove:

Pups = potenza apparente dell'UPS [VA]
Taut = autonomia del pacco batterie UPS - in ore [h]

La formula relativa alla portata necessaria si riduce pertanto a

Q = 0,05 * n * Igas * Crt / 1.000 = 0,2 * Pups * Taut / 1.000

Esprimendo Pups in kVA anzichè in VA avremo più semplicemente che

Q = 0,2 * Pups[kVA] * Taut[h]

A favore della sicurezza è opportuno inoltre introdurre un ulteriore coefficiente cautelativo per cui
 
Q = 0,3 * Pups[kVA] * Taut[h]

Esempio

Considerando ad esempio un UPS 20 kVA autonomia 15 minuti avremo necessità di una portata d'aria pari a

Q = 0,3 * 20 * 0,25 = 1,5 mc/h

Per ottenere questa portata d'aria per ventilazione naturale le norme EN ci indicano la seguente formula per il calcolo della superficie di aerazione

A = 28 * Q



Dove:

A = superficie di aerazione dei fori di mandata e ripresa [cm2]

Pertanto nel caso in esame avremo due fori di superficie netta pari a 28.1,5 = 42 cm2. Considerando che le griglie occupino un 30% del foro, avremo necessità di un foro pari a 60 cm2 (foro rettangolare 10x6 cm).

Come si può notare la ventilazione necessaria per evitare il pericolo di esplosione del locale è veramente ridottissima. Se tuttavia è necessario ricorrere all'utilizzo di una ventilazione forzata è necessario un dispositivo che verifichi il corretto funzionamento dell'estrattore e che in caso di guasto blocchi il processo di ricarica delle batterie.

Distanze

L'estensione della zona è pari a

d = 28,8 * radcube(Igas * C) in mm

Sulla base delle considerazioni svolte per la ventilazione possiamo assumere

Igas = 8

C = Pups[VA] * Taut[h] / 12

Nota: Pups espressa in VA

E quindi

d = 25,15 * radcube(Pups[VA] * Taut[h])

Nel caso dell'UPS 20 kVA autonomia 15 minuti avremo d = 427 mm. Sarà pertanto sufficiente non installare componenti elettrici a meno di 45 - 50 cm dall'armadio batterie.
Nota : la formula approssimata può portare a risultati eccessivamente sovradimensionati in caso di UPS di notevole potenza ed autonomie elevate (45 - 60 minuti). In tal caso è necessario richiedere maggiori ragguagli al costruttore e svolgere calcoli esatti.

La norma di sicurezza sugli UPS (EN 62040-1) standardizza la distanza di sicurezza a 50 cm dalle aperture dell’armadio batterie.

Batterie per trazione

I carrelli elevatori elettrici sono corredate di un gruppo batterie ricaricabili che forniscono l'energia necessaria al corretto funzionamento dell'apparecchiatura. Le batterie utilizzate vengono comunemente definite "batterie per trazione".

 
Ventilazione

Come detto per gli UPS, se sono disponibili le caratteristiche del pacco batterie si applicano le fornule riportate sopra.

Se non si ha questo dato a disposizione, si può procedere come segue:

Nel caso di batterie da trazione aperte al piombo il termine Igas, salvo diverse indicazioni del costruttore, può essere assunto pari a 60 (norme EN 50272-2 ed EN 50273).

Restano da determinare il numero di elementi e la loro capacità. Per la determinazione di questi due parametri sono necessarie alcune considerazioni a priori che svolgeremo nel seguito.

L'energia necessaria al corretto funzionamento del carrello elevatore è contenuta all'interno della batteria di accumulatori. Quest'energia è data dal prodotto della capacità della batteria per la sua tensione nominale di funzionamento e può essere espressa in VAh (oppure in kVAh).

Si può ragionevolmente approssimare (e questo dato è confortato dai data sheet di molti costruttori di carrelli elevatori) che indicativamente ogni kg di portata del carrello elevatore sono necessari 20 VAh. Va da sé che è molto più semplice reperire la portata di un carrello elevatore che non i dati relativi alla sua batteria.

Inoltre le batterie da trazione comunemente usate per i carrelli elevatori sono costituite da elementi di tensione nominale 2V; a favore della sicurezza possiamo considerare la capacità di ciascun elemento pari a 100Ah (potrebbe anche essere anche maggiore ma se così fosse la ventilazione necessaria sarebbe comunque minore di quella considerata per elementi 100 Ah). Avremo pertanto che ogni elemento può "erogare" un energia pari a 200 VAh.

Sulla base di quanto sopra esposto, possiamo quindi affermare che ogni 10 kg di portata è necessario un elemento che presenta le seguenti caratteristiche:

- tensione nominale 2V


- capacità 100 Ah

In numero di elementi sarà pertanto determinabile dividendo la portata del carrello espressa in kg per 10.

Ritornando alla formula

Q = 0,05 * n * Igas * Crt / 1000

Avremo
Igas = 60
n = portata [kg] / 10
Crt = 100 Ah

Pertanto, effettuati tutti i passaggi matematici del caso che per brevità vengono tralasciati, avremo semplicemente che

Q = 0,03 * portata

Ricordandosi che Q è espresso in mc/h e la portata in kg (che corrisponde in pratica ad una ventilazione di 30 mc/h ogni 1.000 kg di portata).

La norma ci dice anche quanto devono essere ampie le superfici di aerazione in grado di garantire la portata d'aria necessaria e cioè:

A = 28 * Q

Dove
A = sezione netta delle aperture di ventilazione (cm2)
Q = portata d'aria richiesta (mc/h)

Per quanto riguarda la disposizione e la tipologia delle aperture di ventilazione, le stesse devono garantire un effetto camino.

Qualora non fosse possibile garantire la ventilazione richiesta mediante semplici aperture si può ricorrere ad un'estrazione forzata. E' tuttavia necessario dotare il locale di un sistema automatico di controllo della corretta ventilazione (flussometro o relè amperometrico sul circuito di alimentazione del ventilatore); qualora questa venisse a mancare dovrà essere automaticamente interrotto il processo di ricarica delle batterie ed inviato un allarme agli operatori.

Esempio

Consideriamo un carrello elevatore con:

portata 1200 kg

batteria 24V 800 Ah

si deduce un'energia contenuta pari a 19.200 VAh.

Se avessimo usato il dato approssimato (20 VAh ogni kg di portata) avremmo ottenuto un'energia di 24.000 VA (25% di errore a favore della sicurezza).

A questo punto possiamo effettuare i calcoli con l'energia esatta oppure utilizzare, a favore della sicurezza, la formula approssimata ricavata in precedenza.

Utilizzando la formula approssimata abbiamo 

Q = 0,03 * 1200 kg = 36 mc/h

E pertanto 

A = 28 * 36 mc/h = 1008 cm2

Sono pertanto necessarie 2 aperture (una di espulsione ed una di ripresa) di dimensioni indicative 60 x 20 cm (le dimensioni tengono conto della superficie occupata dalle griglie).
Qualora si avesse a che fare con più carrelli elevatori la portata d'aria necessaria totale sarà data dalla somma delle singole portate necessarie per ciascun carrello.

Distanze

La norma EN 50272-3 considera come zona 1 (vedi classificazione Atex) il volume compreso entro una distanza di 50 cm dalla batteria. E' pertanto necessario, per poter realizzare impianti "normali", non installare componenti a meno di mezzo metro dalla batteria del carrello elevatore (terminali).

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