Potenza termica (o frigorifera): dimensionamento batterie di scambio Sinora si è parlato di scambio termico in termini di quantità di calore; nella pratica progettuale è più opportuno riferirsi alla potenza (termica se fornita all’aria, frigorifera se sottratta all’aria). La potenza è la quantità di calore fornita (o sottratta) nell’unità di tempo: P = Q/t [kcal/h nel S.T.] [kW=kJ/s nel S.I.] Anche per la potenza si può parlare di potenza sensibile e di potenza latente, che nella somma danno la potenza totale. Per il calcolo della potenza si possono usare le stesse formule usate per il calore, sostituendo la portata di massa [kg a.s./s o anche, con le opportune conversioni, m³/h] alla massa m [kg]. Calcolare la potenza termica sensibile da fornire a 3000m³/h per portare le sue condizioni da A a B: A (Tbs=15°C; U.R.=90%) B (Tbs=40°C; U.R.=22%) Calcoliamo analiticamente la potenza facendo uso della formula: P = M c ΔT (M è portata in m³/h) (c=0.29 kcal/m³K nel S.T.; c=1.2 kJ/m³K nel S.I.) P = 3000m³/h x 0.29 kcal/m³K x (40-15)K = 21750 kcal/h (S.T.) P = 3000m³/h x 1.2 kJ/m³/K x (40-15)K = 25 kWh (S.I.) Per realizzare la trasformazione AB è quindi necessaria una macchina capace di fornire 25 kW termici. Calcolo su diagramma psicrometrico A (Tbs=15°C; U.R.=90%) B (Tbs=40°C; U.R.=22%) Potenza a partire dalle entalpie individuate sul diagramma psicrometrico: P = M Δh =M(hB-hA )= 3000 m³/h x 1.2 kg/m³ x (15,8-9,6) kcal/kg = 22320 kcal/h (S.T.) I valori del calore specifico dell’aria umida riferiti al m³ si ottengono a partire da quelli relativi al kg, passando per il peso specifico dell’aria umida: 1.2 kg/m³ (valore medio utilizzato nella Per passare al Sistema Internazionale: pratica). P(kW) = P(kcal/h) / 860 = 25,9 kW RIEPILOGO TRASFORMAZIONI VAPORE COSTANTE Sono trasformazioni in cui rimane costante l’umidità assoluta, cioè la quantità effettiva di vapore presente nell’aria. Queste trasformazioni sono delle rette orizzontali che, se vanno percorse da sinistra a destra. rappresentano un riscaldamento, in senso contrario un raffreddamento. Il calore scambiato in queste trasformazioni è Calore Sensibile. Calore sensibile Qs Trasformazioni a Temperatura costante Sono trasformazioni in cui rimane costante la temperatura dell'aria. Queste trasformazioni sano delle rette verticali che. se vanno percorse dal basso in alto, rappresentano una umidificazione, in senso contrario una deumidificazione. Il calore scambiato in queste trasformazioni è Calore Latente. Calore Latente Ql RISCALDAMENTO E UMIDIFICAZIONE Una trasformazione generica con percorso da sinistra verso destra, ed inclinata sulla orizzontale di un angolo positivo, rappresenta un riscaldamento con umidificazione. Considerando questa trasformazione come se fosse un vettore e scomponendo quindi nelle due componenti orizzontale e verticale si possono valutare il colore sensibile ed il calore latente che sono coinvolti nella trasformazione stessa. Il calore sensibile è rappresentato dalla componente orizzontale, quello latente dalla componente verticale. • CONFORT: nessun intervento salvo la protezione dal sole diretto in estate e l’isolamento termico in inverno. • (A) RISCALDAMENTO CONVENZIONALE: zona molto fredda in cui solo un sistema di riscaldamento a combustibili può risultare efficace. • (B) RISCALDAMENTO SOLARE ATTIVO: il calore necessario può venire da un sistema solare attivo con un sistema convenzionale di scorta. • (C) RISCALDAMENTO SOLARE PASSIVO: se si ha anche un buon isolamento si può fornire energia attraverso un sistema solare passivo o ibrido attivo-passivo, sempre con un sistema di scorta per i periodi nuvolosi • (D) GUADAGNI INTERNI: per il confort è sufficiente il calore prodotto dall’uomo e dagli apparecchi elettrici all’interno di una stanza. • (E) VENTILAZIONE: con temperatura e umidità elevata il confort può essere ottenuto per evaporazione diretta della traspirazione solo se il movimento dell’aria è sufficiente. • (F) UMIDIFICAZIONE: oltre al riscaldamento bisogna umidificare l’aria. • (G) INERZIA TERMICA: situazione tipica dei climi caldi e secchi con notti fredde e secche in cui rinfrescando l’ambiente di notte (è necessaria grande inerzia della struttura muraria) si accumula il fresco necessario alla giornata seguente. • (H) INERZIA TERMICA E VENTILAZIONE: situazione tipica di molte regioni mediterranee in cui la temperatura notturna non scende a sufficienza per rinfrescare l’edificio il giorno seguente ed è necessario ricorrere a ventilazione attiva o passiva per estrarre il calore in eccesso. • (I) CONDIZIONAMENTO DELL’ARIA: i sistemi naturali non sono sufficienti ed occorrono sistemi di condizionamento meccanici. • (J) RINFRESCAMENTO PER EVAPORAZIONE: si può rinfrescare fornendo umidità (fontane, micro-spruzzatori, ecc.) EQUAZIONI DI BILANCIO 14 Oltre alle equazioni di stato vi sono alcune altre relazioni che legano le grandezze del sistema termodinamico, esse derivano dai seguenti principi generali della fisica: • conservazione della massa (Lavoisier); • conservazione dell’energia (primo principio della termodinamica). Qualsiasi sia la trasformazione termodinamica questi due principi sono sempre verificati. EQUAZIONI DI BILANCIO – Condizioni stazionarie 15 SISTEMA APERTO (bilancio ingresso - uscita) Bilancio di massa dell’aria secca G as ,i Gas ,u 0 Gi Bilancio di massa dell’acqua G as ,i xi Gas ,u xu Gw 0 Bilancio di energia dell’aria umida 0 G h G h G h Q as,i i as,u u w w t SISTEMA CHIUSO (senza scambi d’aria con Bilancio di massa dell’acqua l’esterno) (bilancio inizio - fine) mas x2 mas x1 mw Bilancio di energia dell’aria umida mas h2 mas h1 Qt Q t potenza aria Gu aria Gw acqua LEGENDA: G = portata [kg/s] Qt = potenza termica [W] Q t = derivata rispetto al tempo dell'energia termica = potenza termica [W] Qt energia mas h mw acqua DIAGRAMMA PSICROMETRICO (ASHRAE) Diagramma Psicrometrico 0.90 0.88 120 Grado igrometrico (umidità relativa) 0.9 35 0.8 0.7 0.5 0.86 110 0.4 0.6 30 0.84 100 90 0.82 25 0.80 80 20 0.3 70 0.78 60 j = 1 15 0.2 50 v = 0.76 m3/kgas 40 10 30 20 h =0 0.1 5 10 KJ/kga.s. 0 -10 -5 0 5 10 15 20 25 Temperatura [°C] 30 35 40 45 50 Umidità specifica [g/kga.s.] Volume specifico [m3/kgas] 16 TRATTAMENTI SEMPLICI DELL’ARIA UMIDA 17 Gli impianti di condizionamento realizzano trasformazioni termodinamiche sull'aria umida (trasformazioni psicrometriche) per ottenere le condizioni di benessere termo-igrometrico degli ambienti interni. I trattamenti che avvengono negli impianti di condizionamento sono una composizione delle trasformazioni elementari seguenti: • Riscaldamento sensibile; • Raffreddamento sensibile; • Raffreddamento con deumidificazione; • Umidificazione a liquido; • Umidificazione a vapore; • Miscelamento adiabatico; Nelle equazioni di bilancio delle trasformazioni elementari si considerano sempre sistemi aperti, poiché i trattamenti dell'aria avvengono di solito in unità di trattamento nelle quali l'aria transita prima di essere immessa in ambiente. RISCALDAMENTO/RAFFREDDAMENTO SENSIBILE (isotitolo) 18 = Aumento/riduzione della temperatura dell'aria umida mediante apporto/sottrazione di solo calore sensibile (nessuna variazione di 0 ; xu xi e Gw 0 . umidità specifica) Q t Sul diagramma = retta parallela all’asse delle temperature percorsa verso destra (riscaldamento) o verso sinistra (raffreddamento) senza intersecare la curva di saturazione. Diagramma Psicrometrico 35 120 0.9 0.7 30 0.6 0.5 100 90 Potenza termica necessaria: j 25 0.4 80 =1 70 Q G as (h2 h1 ) (>0:riscaldam; <0:raffreddam) da cui si può ottenere h2 e T2. Q h2 h1 Gas T2 h2 2500 x2 1 1,9 x2 20 0.3 60 Dh 50 0.2 15 40 30 20 h =0 10 2 1 0.1 5 10 kJ/kga.s. 0 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 Temperatura [°C] Dall’equazione già vista h = T + x (2500 + 1,9T) 35 40 45 50 Umidità specifica [g/kg a.s.] 110 0.8 RAFFREDDAMENTO CON DEUMIDIFICAZIONE 19 = Riduzione della temperatura e del titolo dell'aria umida mediante sottrazione di calore sensibile e calore latente (riduzione dell'umidità 0 ; xu xi e Gw 0 . specifica) Q t Sul diagramma = retta parallela all’asse delle temperature percorsa verso sinistra fino alla curva di saturazione, poi percorso lungo la curva di saturazione. Gas h1 Q Gas h2 Gw hw Potenza termica necessaria: Q Gas (h2 h1 ) Gw hw (sempre <0) da cui si può ottenere h2 e T2. Q Gw hw Q h2 h1 h1 Gas Gas Gas h1 Gw hw Gas h2 UMIDIFICAZIONE DA FASE LIQUIDA = Umidificazione dell'aria mediante evaporazione di acqua (adiabatica, 0 ; xu xie Gw 0. isoentalpica) Q t Sul diagramma = retta lungo le linee isoentalpiche percorsa verso sinistra (fino al massimo alla curva di saturazione). Potenza e entalpia: 35 120 Gw hw 0 110 0.8 0.9 0.7 30 0.6 0.5 100 90 h2 h1 j 25 0.4 80 =1 70 20 0.3 60 (Q=0 : adiabatica h2 = h1 : isoentalpica) da cui si può ottenere x2 e T2. G x2 x1 w Gas h 2500 x2 T2 1 1,9 x2 50 23 0.2 15 40 30 10 20 h =0 10 21 0.1 5 10 kJ/kga.s. -10 -5 0 Temperatura a bulbo umido 5 10 15 Tbu 20 25 30 Temperatura [°C] 0 35 40 45 50 Umidità specifica [g/kg a.s.] Q 0 Diagramma Psicrometrico UMIDIFICAZIONE DA FASE VAPORE 21 = Umidificazione dell'aria mediante immissione di vapore 0 ; xu xi e Gw Gv 0 ; Q t Sul diagramma = retta quasi verticale percorsa verso l'alto (fino al massimo alla curva di saturazione). Potenza e entalpia: Diagramma Psicrometrico 35 120 110 0.8 0.9 90 j x2 x1 T2 Gv Gas h2 2500 x2 1 1,9 x2 25 0.4 80 =1 70 60 20 0.3 23 50 (Q=0 : adiabatica) da cui si può ottenere x2 e T2. 30 0.6 0.5 100 Gv h2 h1 hv Gas 0.7 0.2 15 40 30 10 20 h =0 10 1 2 0.1 5 10 kJ/kga.s. 0 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 Temperatura [°C] 35 40 45 50 Umidità specifica [g/kg a.s.] hv 2500 1,9Tv Q 0 MISCELAMENTO ADIABATICO 22 = Miscelamento di due flussi d'aria umida senza apporti sensibili o 0 e Gw 0 latenti Q t Sul diagramma = punto giacente sulla retta di congiunzione dei due stati dell'aria in ingresso (media ponderata di umidità e temperatura). G1, x1, h1 D ia g ra m m a P s ic ro m e tric o 35 120 G2 , x2 , h2 0 .8 0 .6 0 .9 110 0 .7 100 Potenza e entalpia: 90 j =1 Q 0 80 70 Gas ,1h1 Gas , 2 h2 0 .3 2 Gas ,1 Gas , 2 (Q=0 : adiabatica) x3 T3 20 2 G1 50 0 31 40 10 G2 20 0 .1 1 10 15 0 .2 30 h =0 5 k J /k g a.s. Gas ,1 x1 Gas , 2 x2 Gas ,1 Gas , 2 Gas ,1T1 Gas , 2T2 Gas ,1 Gas , 2 30 25 60 h3 0 .4 0 .5 0 -1 0 -5 0 5 10 15 20 25 30 T e m p e r a tu r a [° C ] 35 40 45 50 Um idità specifica [g/kg a .s. ] G3 , x3 , h3 TRASFORMAZIONI COMPLESSE: CICLI INVERNALI ED ESTIVI 23 Gli impianti di condizionamento realizzano molteplici trasformazioni termodinamiche elementari per ottenere le condizioni di benessere termo-igrometrico degli ambienti interni. Le possibilità sono svariate a seconda della tipologia di impianto presente (trattamento aria interna e/o aria esterna; recuperi di calore; ricircolo; bypass; ecc), delle variabili che si intendono controllare (temperatura e/o umidità relativa) e della stagione (inverno/estate). A scopo esemplificativo si riportano i cicli invernale ed estivo di un impianto di condizionamento in grado di controllare sia la temperatura che l'umidità relativa dell'aria in transito. CICLO INVERNALE 24 Q G as (h2 h1 ) Portare l’aria esterna dal punto 1 al 3 Umidificazione dal punto 2 al 3 (linea rossa) iniettando vapore Gv=Gas (x3 – x2) Diagramma Psicrometrico 35 120 0.9 0.7 30 0.6 0.5 100 90 j 25 0.4 80 =1 70 20 0.3 60 50 0.2 3 40 10 30 3' 20 h =0 15 0.1 5 10 kJ/kga.s. 1 -10 -5 2 0 5 10 15 20 25 30 Temperatura [°C] 2'' 35 2' 40 0 45 50 Umidità specifica [g/kg a.s.] 110 0.8 CICLO INVERNALE 25 ALTERNATIVA: •Si riscalda fino al punto 2’ (titolo x1=x2). Fino ad incontrare l’isoentalpica (2-3) corrispondente al punto 3 •Umidificazione adiabatica (senza scambio calore) lungo isoentalpica 2’-3 (spruzzando acqua) •DIFFICILE CONTROLLO DEL CONTENUTO DI UMIDITA’ RELATIVA RICHIESTA Diagramma Psicrometrico 35 120 0.9 0.7 30 0.6 0.5 100 90 j 25 0.4 80 =1 70 20 0.3 60 50 0.2 3 40 10 30 3' 20 h =0 15 0.1 5 10 kJ/kga.s. 1 -10 -5 2 0 5 10 15 20 25 30 Temperatura [°C] 2'' 35 2' 40 0 45 50 Umidità specifica [g/kg a.s.] 110 0.8 CICLO INVERNALE 26 ALTERNATIVA POST-RISCALDAMENTO: •Si riscalda fino al punto 2” (titolo x1=x2). Fino ad incontrare l’isoentalpica (2’-3’) corrispondente al punto di RUGIADA 3’ e umidificare fino a saturazione (più facile da realizzare nelle batterie dell’UTA). •POSTRISCALDAMENTO dal punto 3’ al 3 (attraversamento batteria calda) •Trattamenti effettuato secondo le linee tratteggiate Diagramma Psicrometrico 35 120 0.9 0.7 30 0.6 0.5 100 90 j 25 0.4 80 =1 70 20 0.3 60 50 0.2 3 40 10 30 3' 20 h =0 15 0.1 5 10 kJ/kga.s. 1 -10 -5 2 0 5 10 15 20 25 30 Temperatura [°C] 2'' 35 2' 40 0 45 50 Umidità specifica [g/kg a.s.] 110 0.8 Condizionatore d’aria Un condizionatore d’aria e' un componente in grado di modificare i parametri di temperatura e grado igrometrico di una corrente d’aria calda iniziale, che viene trasformata in una corrente più fredda e secca all’uscita. Condizionatore d’aria Un condizionatore in generale e' composto da 4 elementi fondamentali. Innanzitutto una ventola, che facilità l’afflusso d’aria, e in figura e' rappresentata da una potenza L entrante. Immediatamente dopo l’aria incontra una serpentina di raffreddamento (per esempio il condensatore di una macchina frigorifera) che le sottrae una calore per unità di tempo Q1, in modo da portarla alla temperatura di rugiada. Le alette che si trovano subito dopo hanno il compito di raccogliere la condensa formatasi a causa del raffreddamento, formando acqua che viene incanalata in un tubicino (e poi scaricata oppure raccolta in bottiglioni per essere usata come acqua distillata). L’aria nel punto 2 e' satura e troppo fredda per essere immessa in un ambiente (perche' la condensazione richiede calore per avvenire, che viene sottratto dalla corrente d’aria), quindi passa attraverso l’ultima sezione del condizionatore, chiamata di post-riscaldamento, che fornendo il calore per unità di tempo Q2 scalda l’aria e la rende adatta ad essere immessa nell’ambiente, come nel punto 3. All’ingresso del condizionatore (punto 1) l’aria e' calda (temperatura T1) e umida. A contatto con la griglia di raffreddamento le viene sottratto il calore Q1, quindi raffredda fino al punto 1’ (il titolo x1 rimane costante perchè le masse di aria secca e vapore restano costanti), poi comincia la condensazione accompagnata da un notevole raffreddamento fino al punto 2, con temperatura T2 (come si può vedere l’entalpia specifica della massa d’aria cala rapidamente). Inoltre anche il titolo cala (al valore x2), perché una parte del vapore d’acqua condensa mentre la massa d’aria secca resta costante (evidentemente quindi il rapporto MV/MA scende), mentre il grado igrometrico rimane costantemente 1 (aria umida satura). A questo punto l’aria molto fredda viene post-riscaldata fornendole un calore Q2, portandosi a una temperatura T3 superiore, mentre il nuovo valore del titolo resta costante (x2 = x3) ma cala l’umidità relativa. CICLO ESTIVO 30 D ia g ra m m a P s ic ro m e tric o 1-R: Raffreddamento a titolo costante (x1=xR) 110 R-2: Deumidificazione 35 0 .8 0 .6 0 .9 0 .7 100 0 .4 0 .5 2-3: Riscaldamento a titolo costante (x2=x3) 90 j =1 30 25 80 0 .3 20 70 60 50 R 1 15 0 .2 40 10 30 2 20 h =0 3 0 .1 5 10 k J /k g a.s. Tr -1 0 -5 0 5 10 15 20 25 30 T e m p e r a tu r a [° C ] 0 35 40 45 50 Um idità specifica [g/kg a .s. ] 120 31 Diagramma psicrometrico Trattamenti semplici dell’aria umida (da disegnare anche su diagramma psicrometrico) Trattamento invernale dell’aria (da disegnare anche su diagramma psicrometrico) Trattamento estivo dell’aria (da disegnare anche su diagramma psicrometrico)