Progettazione Costruzioni ed Impianti
IMPIANTI TECNOLOGICI – CAP. III
IMPIANTO RISCALDAMENTO DEI LOCALI DI ABITAZIONE
Anno Scolastico 2014/15
Progettazione Costruzioni Impianti
Trasmissione di calore - Premessa
Il calore è una forma di energia trasferita tra corpi a temperatura differente
Essendo una forma di energia, il calore, nel SI, viene misurato in joule (J). Per lungo
tempo è stata però utilizzata come unità di misura la caloria (cal), definita come la
quantità di calore necessaria a portare la temperatura di 1 g di acqua distillata da 14.5°C
a 15.5°C (a pressione standard). Il fattore di conversione tra le due unità di misura è il
seguente:
1cal 4,1855J
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Trasmissione di calore - Principi della Termodinamica
La branca della scienza che si occupa delle relazioni tra il calore e le altre forme di energia
è la termodinamica, basata su due principi:
• il primo principio della termodinamica afferma sostanzialmente che l’energia non può
essere creata né distrutta, ma solo trasformata da una forma all’altra: questo principio
governa quantitativamente ogni trasformazione di energia, ma non pone alcuna restrizione
al verso della trasformazione.
• il secondo principio della termodinamica afferma invece che non è possibile alcuna
trasformazione il cui unico risultato sia il passaggio di calore da una regione a temperatura
minore verso una regione a temperatura maggiore.
LIMITE : ASSENZA DELLA VARIABILE TEMPO NELLA TERMODINAMICA CLASSICA
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Trasmissione di calore – Variabile Tempo
Da un punto di vista pratico-progettuale (che interessa a noi), il problema principale, in
presenza di trasmissione di calore, è la determinazione della potenza termica trasmessa
per una determinata differenza di temperatura T:
infatti, ad esempio, le dimensioni delle caldaie dipendono non solo dalla quantità di
calore scambiata, ma principalmente dalla velocità con la quale il calore deve essere
scambiato nelle condizioni assegnate. E' dunque fondamentale la variabile tempo.
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Trasmissione di calore – Lo Scambio Termico
Lo scambio termico può essere semplicemente definito come la trasmissione di energia da
una regione ad un’altra, dovuta ad una differenza di temperatura. Lo scambio termico è
regolato da una combinazione di diverse leggi fisiche indipendenti.
In genere, consideriamo tre differenti modalità di trasmissione del calore:
CONDUZIONE
CONVEZIONE
IRRAGGIAMENTO
Solo la CONDUZIONE e l’ IRRAGGIAMENTO sono processi
di scambio termico, in quanto dipendono dalla semplice
esistenza di una differenza di temperatura. La
CONVEZIONE, invece, dipende anche dal trasporto di
materia: d’altra parte, dato che la convezione comporta
comunque la trasmissione di energia da regioni a
temperatura superiore verso regioni a temperatura
inferiore, si usa l’espressione “scambio termico per
convezione”.
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Trasmissione di calore - CONDUZIONE
Nei solidi se il calore si trasmette per
contatto diretto, il processo viene
chiamato conduzione.
Se teniamo in mano, per un’estremità,
una barretta di ferro e appoggiamo su
una fonte di calore l’altra estremità, dopo
un po’ di tempo anche l’estremità
impugnata comincerà a scottare.
Se ripetiamo l’esperimento con una bacchetta di vetro occorre molto più tempo prima che il
calore giunga alla nostra mano. La capacità di un corpo di trasmettere il calore, ossia la sua
conducibilità termica, dipende dalla natura del corpo, ossia dal materiale di cui è costituito: i
metalli sono, in genere, dei buoni conduttori del calore (l’argento, il rame, l’oro, l’alluminio, il
ferro ecc.); al contrario, il vetro, il legno, la plastica sono dei cattivi conduttori, non
trasmettono bene il calore e spesso vengono utilizzati, proprio per questa proprietà, come
isolanti termici: la plastica, il legno, il sughero, il polistirolo e la lana di vetro per isolare le
pareti delle abitazioni e impedire la dispersione del calore ecc. Sono, in genere, cattivi
conduttori anche i liquidi e i gas, che utilizzano altre modalità di propagazione del calore.
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Trasmissione di calore - CONVEZIONE
Liquidi e aeriformi vengono chiamati fluidi perché le loro molecole hanno la
possibilità di muoversi, di “fluire” le une sulle altre, mentre nei solidi le
molecole sono strettamente ammassate, compatte, pressoché immobili.
Nei fluidi la propagazione del calore avviene con un meccanismo che prevede il
trasporto delle molecole riscaldate dal basso verso l’alto e di quelle fredde
dall’alto verso il basso, realizzando così il mescolamento del fluido che si
riscalda. Questo movimento circolare delle particelle è detto moto convettivo e
il meccanismo di propagazione del calore nei fluidi è detto convezione.
Questo avviene perché gli strati di acqua vicini al
fondo della pentola (a contatto con il fuoco)
riscaldandosi diventano più leggeri e le molecole,
libere di muoversi, salgono verso l’alto; a contatto
con la superficie dell’acqua e con le pareti laterali
della pentola l’acqua si raffredda e diventa più
pesante e precipita nuovamente verso il fondo.
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Trasmissione di calore - CONVEZIONE
La convezione è il meccanismo di trasporto del calore che viene sfruttato per
riscaldare le case con i termosifoni. Infatti, l’impianto di riscaldamento è
costituito da una caldaia collegata per mezzo di tubi ai termosifoni situati
nell’appartamento. L’acqua, riscaldata dalla caldaia, risale lungo i tubi e
raggiunge i termosifoni che si riscaldano e trasferiscono il calore all’ambiente
circostante. L’acqua che invece ha già attraversato i termosifoni, poiché ha
perso calore, diventa più fredda e pesante; pertanto ridiscende lungo i tubi di
scarico che la riportano alla caldaia, dove viene nuovamente riscaldata.
Nella figura a sinistra sono evidenziati i moti convettivi
in una stanza: l’aria sopra il calorifero si riscalda e sale
verso l’alto spingendo in basso quella fredda.
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Trasmissione di calore - IRRAGGIAMENTO
Il Sole, che riscalda il nostro pianeta, invia calore attraverso il vuoto: infatti gran
parte dei 150 milioni di chilometri che ci separano dalla nostra stella sono
costituiti da spazio interplanetario, che è pressoché vuoto, ossia privo di materia.
In questo spazio vuoto il calore non può propagarsi né per conduzione, né per
convezione, perché mancano quasi totalmente le particelle responsabili di questi
meccanismi di trasmissione del calore, ossia molecole e atomi.
Il Sole, come tutti i corpi caldi, emette delle radiazioni calorifiche, che
vengono assorbite dai corpi più freddi, riscaldandoli. Questo
meccanismo di propagazione del calore è chiamato irraggiamento.
L’irraggiamento si verifica non solo nel vuoto, ma anche nell’aria (dove
si somma al meccanismo di convezione). Così il termosifone caldo,
oltre a riscaldare l’aria per convezione, emette direttamente radiazioni
calorifiche che il corpo umano assorbe.
Anche il nostro corpo emette radiazioni calorifiche e, in questo modo,
disperde continuamente calore. Se siamo circondati da corpi più freddi
del nostro le radiazioni calorifiche inviateci da questi saranno inferiori
a quelle che emette il nostro corpo, il quale di conseguenza si
raffredderà.
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Trasmissione di calore - Trasmissione del calore attraverso parete
Con riferimento ad una parete monostrato, costituita da materiale omogeneo,
di separazione tra l’ambiente interno, a temperatura Ti, e l’ambiente esterno, a
temperatura Te, in condizione invernale (Ti>Te), si instaura uno scambio di
calore tra l’interno e l’esterno attraverso la parete.
FLUSSO DI CALORE
T
U
S
T
i
e
1. dall’ambiente interno al paramento interno della parete
2. dal paramento interno al paramento esterno della parete
3. dal paramento esterno della parete all’ambiente esterno
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Trasmissione di calore - Trasmittanza
1
U
1 si 1
i i e
Il coefficiente U [W/m2K] è il coefficiente di trasmissione termica della parete o
Trasmittanza
E’ una grandezza fisica che misura la quantità di calore scambiato da un materiale o un
corpo per unità di superficie e unità di differenza di temperatura e definisce la capacità di
un elemento nello scambiare energia, ovvero l'inverso della capacità isolante di un corpo
dalla conduttività () e dallo spessore (s) dei materiali che costituiscono i singoli strati di un
elemento costruttivo. La conduttività termica è specifica per ogni materiale. Un basso
valore indica bassa conduttività, un alto valore indica alta conduttività. Per esempio il
cemento armato ha =2,100 W/mK ; Pannelli di sughero = 0,045 W/mK.
L'adduzione è un processo di trasferimento di calore che si ha quando coesistono
convezione e irraggiamento. i è il coefficiente di adduzione interna, mentre e è il
coefficiente di adduzione esterna
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Trasmissione di calore - Esempio
L’inverso del coefficiente di trasmissione termica, R=1/U, [m2K/W], rappresenta la resistenza
termica della parete
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Trasmissione di calore – Resistenza termica della parete
si
1 1
1
1
R ra
U i
i
Cj
e
dove:
αi
αe
si
λi
Cj
ra
è il coefficiente di adduzione superficiale interno [W/m2K]
è il coefficiente di adduzione superficiale esterno [W/m2K]
è lo spessore dello strato omogeneo i-mo [m]
è il coefficiente di conduttività termica dello strato i-mo [W/mK]
è il coefficiente di conduttanza dello strato j-mo non omogeneo [W/ m2K]
è la resistenza termica della lama dell’intercapedine
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Trasmissione di calore - Conduttività dei materiali di uso comune
Materiale
λ
[W/mK]
Acciaio normale
45,4
Alfol (fogli lisci)
Alluminio
0,033
209
Ardesia
1,98
Argilla secca
0,93
Aria
0,026
Asfalto
0,70
Basalto
3,50
Materiale
λ
[W/mK]
Intonaco di calce e
sabbia
esterno
interno
Intonaco di cemento
e sabbia
Intonaco di gesso e
sabbia
Intonaco di gesso per
interni
Intonaco di gesso e
vermiculite
normale
(γ = 500 kg/mc)
Materiale
λ
[W/mK]
Perlite conglomerata
con cemento
0,227
0,87
0,70
(γ = 500 kg/m3)
(γ = 415 kg/m3)
0,107
0,092
1,40
Plexiglass
2,10
0,81
Pomice naturale
0,23
0,52
Pomice conglomerata
con cemento
0,23
0,10
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interno
0,29
esterno
0,41
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Trasmissione di calore - Conduttività dei materiali di uso comune
Materiale
λ
[W/mK]
Materiale
Calcare
(γ = 1900 kg/m3)
(γ = 2100 kg/m3)
(γ = 2700 kg/m3)
1,50
1,70
2,90
Lana minerale di rocce
sfusa
in materassini
Calce
0,90
Lana minerale di vetro
Calcestruzzo armato
1,51
sfusa
in materassini
Calcestruzzo
cellulare
λ
[W/mK
]
Materiale
λ
[W/mK]
0,037
0,038
Pomice conglomerata
con cemento cellulare
0,17
0,037
Polistirolo espanso
0,035
0,038
Poliuretano espanso
0,026
Porcellana piastrelle
1,05
(γ = 800 kg/m3)
0,29
Laterizi comuni
(γ = 600 kg/m3)
0,23
esterni (2000 kg/m3)
0,93
Rame commerciale
349
(γ = 400 kg/m3)
0,14
interni (2000 kg/m3)
0,81
Sabbia secca
0,58
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Trasmissione di calore - Conduttività dei materiali di uso comune
Materiale
λ
[W/mK]
Materiale
Calcestruzzo magro
0,93
Calcestruzzo isolante
0,08
(γ = 1800 kg/mc)
Carbone in polvere
0,12
Legno (flusso ┴ alle fibre)
Carta e cartone
0,16
Abete
Cartone bitumato
0,186
Ceramica
Ferro ordinario
λ
[W/mK]
Materiale
λ
[W/mK]
Sughero conglomerato
con catrame
0,058
(γ = 400 kg/m3)
0,081
espanso in lastre
0,058
0,12
Terreno secco
0,81
Acero
0,192
leggermente umido
1,74
1,16
58
Balsa
Pino
0,046
0,15
umido
Torba in lastre
2,30
0,058
Fibra di vetro
0,035
Quercia
0,21
In lastre compresse
0,12
Gesso
0,43
Legno (flusso ║ alle fibre)
In polvere
0,07
0,70
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