energia e calore

energia e calore per il benessere
degli ambienti
Design e apparecchi energetici: stufe
I corpi scaldanti:
termosifoni
Termosifoni in ghisa
I corpi scaldanti:
termosifoni
Termosifoni in acciaio
I corpi scaldanti:
termosifoni
Termosifoni in alluminio
I corpi scaldanti
Termosifoni in acciaio
Design termosifoni
ventilconvettori
sottopavimento
Installazione
incassata
Impianti a aria: i terminali
Diffusori a bassa
velocità
Impianti ad aria: i terminali
Sistemi speciali
Calore e temperatura
Due sistemi in equilibrio termico con un terzo
sistema sono in equilibrio termico anche tra di
loro.
La temperatura di un sistema è quella sua
proprietà che determina se esso sia o non sia in
equilibrio termico con altri sistemi.
Spesso si confonde l’energia (calore) con la
temperatura
La temperatura indica lo stato di agitazione delle
molecole di un corpo.
L’energia termica consente di aumentare (o
diminuire) la temperatura di un corpo
Caldo e freddo sono sensazioni!!!
La temperatura
Una scala di temperatura molto diffusa è quella Celsius o
centigrada. In essa l’astronomo svedese A. Celsius (1701-1744)
utilizzò le trasformazioni di stato dell’acqua come riferimento.
In corrispondenza alla fusione dell’acqua alla pressione
atmosferica (punto di fusione normale) assunse una
temperatura
pari
a
zero
mentre
in
corrispondenza
dell’ebollizione (punto di ebollizione normale) assunse una
temperatura pari a 100.
L’unità di misura è posta quindi pari a 1/100 dell’intervallo di
temperatura tra il punto di fusione e il punto di ebollizione
dell’acqua. Essa viene chiamata grado celsius, o centigrado, e
indicata con [°C].
Un’altra
scala,
molto
utilizzata
in
anglosassone, è invece quella Fahrenheit.
ambiente
Nella sua definizione, D. Fahrenheit (1686-1736) scelse
come riferimenti la temperatura di solidificazione di una
miscela di acqua, ghiaccio e sale d’ammonio (0°F) e la
temperatura corporea di un individuo sano (96°F).
Con tali assunzioni il punto di solidificazione normale
dell’acqua corrisponde a 32°F e il punto di ebollizione
normale a 212°F.
temperatura B
temperatura A
t (°F ) − 32
t (°C ) =
1,8
t (°F ) = 1,8 t (°C ) + 32
termometri
Il termometro a mercurio funziona grazie al fatto che molte
sostanze (nella fattispecie il mercurio) all'aumentare della
temperatura si espandono, quindi misurando quanto queste
sostanze si espandono si può ricavare il valore della temperatura.
Termometro a IR: Tutti gli oggetti sopra lo zero assoluto di
temperatura vengono costantemente inviati nello spettro IR nello
spazio circostante. Oggetto della valutazione dell’entità di
radiazione infrarossa è la sua distribuzione di lunghezza d’onda –
e la sua temperatura superficiale è un rapporto molto stretto.
Pertanto, il misuratore a IR, misurando l’energia della radiazione
infrarossa, consente di determinare con precisione la temperatura
di superficie.
L’energia infrarossa colpisce la cellula fotoelettrica e trasforma
l’energia ricevuta in corrispondenti segnali elettrici. I segnali,
attraverso l’amplificatore e la trasformazione del circuito del
segnale, e il trattamento in conformità con lo strumento tramite
un algoritmo di calcolo, riportano il valore di temperatura corretta
dell’oggetto misurato
Il calore è energia?
“In un processo ciclico le quantità di calore e di
lavoro scambiate tra sistema ed ambiente, prese
ognuna con il segno convenuto, sono uguali”.
il principio di conservazione dell’energia;
l’equivalenza come forme di energia di calore e
lavoro;
l’esistenza di una grandezza di stato, detta
energia interna
Corrente
forzata
q
Vento
artico T∞
Igloo
Ta
Aria
componenti elettronici
Φp
Lp
Aria
T∞
Ts,p
Ls
Tsup
Ls
Ts,s
Ls
La trasmissione del calore
I meccanismi di trasmissione del calore
Il calore è l’energia trasmessa da un corpo ad un altro in virtù di una
differenza di temperatura.
Dall’osservazione dei fenomeni termici, è possibile mettere in evidenza
il fatto che lo scambio termico tra due corpi o tra parti di uno stesso
corpo, aventi temperatura diversa, può avvenire secondo tre diversi
meccanismi di trasmissione detti rispettivamente:
- Conduzione, quando lo scambio si ha tra due porzioni di
materia a diversa temperatura ed in assenza di moto;
- Convezione, quando si ha contatto tra i corpi interessati allo
scambio di calore e almeno uno è costituito da un fluido in movimento;
- Irraggiamento, quando non si ha contatto diretto tra corpi
Contrastare o favorire il flusso di
calore:
¾ Conduzione – il gas ha conducibilità
bassa: aria 0,026 W/(m K), l’alluminio
sui 50 W/(m K)
¾ Convezione – Scambio con gas e aria
I gas nobili hanno bassa mobilità e
limitano la convezione (es. nelle
interfaccia dei vetri)
Aumentare la velocità del fluido
¾ Irraggiamento – le superfici con
bassa emissività scambiano poca
energia
Superfici più estese scambiano
più calore
ε1, T1
ε1>ε2
T1≠T2
Il modello del corpo nero
2000
100
1800
90
70
1200
60
1000
Relative
Sensitivity
of Human
Eye
800
600
Blackbody
Radiation
(right scale):
200
30
0 oC
20
o
-50 C
0
0.1
1.0
10.0
Wavelength (μm)
40
o
50 C
400
50
10
0
100.0
2
1400
Intensity (W/m /μm)
80
Solar Radiation (left scale)
Extraterrestrial
Surface (1.5 atm)
2
Intensity (MW/m /μm)
1600
Applicazione del primo principio
confine del sistema
H2O
Riscaldare una massa m di acqua
Nel caso specifico si possono fare le seguenti considerazioni:
- il sistema non scambia lavoro meccanico con l'ambiente esterno
- il sistema scambia calore con l’ambiente esterno
- il sistema s non cambia la sua posizione
- non cambia la sua velocità
Q = m ⋅ c ⋅ (T2 − T1 )
Q
La produzione del calore: la combustione
Per una caldaia, il concetto di rendimento è inteso come
rapporto tra potenza utile fornita al fluido termovettore
sulla potenza teorica erogabile dal combustibile
Superficie di Confine
del Sistema
Fumi
Combustibile
Calore disperso
ECH
Aria comburente
QD
Generatore di calore
QF
Fluido
in uscita
Fluido in ingresso
Combustione
Il metano CH4, in presenza di O2, fornisce la seguente
reazione:
CH4 + 2 O2 Î CO2 + 2 H2O + calore
in cui CO2 e H2O sono i prodotti della combustione.
Nell’aria è presente anche l’azoto N2, che non interviene
nella reazione: per ogni volume di O2 sono presenti 7,52
volumi di altri gas (prevalentemente N2). La reazione
diviene:
CH4 + 2 O2 + 7,52 N2 Î CO2 + 2 H2O + 7,52 N2 + calore
ovvero in totale 9,52 m3 di aria per ogni m3 di metano.
Misura dell’energia: chimica (combustione)
Petrolio, metano e carbone
1 kWh = 860 kcal
1 TEP = 10.000.000 kcal = 11.600 kWh
1 barile [bbl] = 42 US gallons = 0,153 m3
Pci, carbone = 7000 kcal/ kg = 8,14 kWh/kg
Pci, petrolio = 10180 kcal/ kg = 11,6 kWh/kg
Pci, metano = 8900 kcal/m3 = 10,35 kWh/m3
1000 Sm3 (di Metano) = 0,876 TEP
1000 kg (di Petrolio) = 1 TEP
Rendimento della caldaia
Q& N = Potenza utile della caldaia
Q& S = Potenza dispersa dal rivestimento (caldaia in funzione)
Q& A = Potenza dispersa dai fumi
= Potenza al focolare = H ⋅ B
Q&
Br
u
B = portata oraria di combustibile [m 3 / h]
H u = potere calorifero del combustibile [kWh / m3 ]
Q& N
η =
Q& Br
Il generatore di
calore:
caldaia a
basamento,
gruppi termici
Scarico condensa
Il generatore di
calore:
teste di
combustione
Problemi dei bruciatori tradizionali
- scarsa penetrazione dell’ossigeno (e conseguente formazione di CO)
- inadeguato tempo di reazione (allontanamento degli incombusti)
- eccessiva temperatura di reazione che attiva la formazione di NOx in
reazioni secondarie
Bruciatori a matrice ceramica
- matrice porosa
Æ ottima penetrabilità dei gas di combustione
- basse emissioni
- resistenza strutturale
- assenza di fiamma
Bruciatori ceramici
Bruciatori ceramici
Materiali
Schiuma di carburo di Silicio e una struttura mista di fibre di
Al2O3, schiuma di ZrO2 e strutture di C/SiC.
Questi materiali possono essere usati fina a 1650°C
In alcune applicazioni posso usare leghe di Fe- Cr- Al e Nichel
La Zirconia resiste fino a 2300°C
le leghe metalliche fino a 1250 °C
Colore
Temperatura [°C]
Amaranto pallido
480
Amaranto
525
Rosso sangue
585
Rosso scuro
635
Rosso
675
Rosso chiaro
740
Rosso pallido
845
Rosa
900
Arancione
940
Giallo
995
Giallo pallido
1080
Bianco
1205
Azzurro
1400
Il colore della fiamma è un ottimo indicatore della composizione
chimica di una sostanza: sottoposta a spettroscopia, la luce della
fiamma rivela una serie di righe spettrali caratteristiche delle molecole
e degli elementi contenuti nel gas. Questo fenomeno è stato
ampiamente studiato ed è da tempo parte delle procedure standard di
analisi chimica qualitativa.
L’energia si manifesta in forme diverse, ognuna delle quali con
caratteristiche proprie e qualità diverse.
Qualità dell’energia è la sua capacità di trasformarsi
RIFLETTERE
Valgono più 100 J di energia elettrica o 100 J di energia termica a
1000 K
(con temperatura ambiente a 300 K) ?
Cosa posso realizzare con 100 J termici ?
W& rev = ηCarnot Q&1
LE MACCHINE TERMICHE
Il secondo principio della termodinamica
Kelvin-Planck
“E’ impossibile costruire una macchina, operante secondo un
processo ciclico, che trasformi in lavoro tutto il calore estratto
da una sorgente a temperatura uniforme e costante nel
tempo”.
“E’ impossibile operare una qualsivoglia trasformazione
termodinamica ciclica il cui unico risultato sia la
trasformazione in lavoro di tutta l'energia termica estratta da
una sorgente a temperatura uniforme e costante nel tempo”.
Clausius
“E’ impossibile costruire una macchina operante secondo un
processo ciclico il cui unico risultato sia il trasferimento di
calore da un corpo a bassa temperatura ad un corpo a
temperatura superiore”
“E’ impossibile operare una qualsiasi trasformazione ciclica il
cui unico risultato sia il trasferimento di energia termica da un
corpo a temperatura inferiore ad un corpo a temperatura
superiore”
Lo schema di funzionamento
Sorgente di calore 1
Sorgente di calore 1
T1
T1
Q1
Q1
L
L
T1>T2
Q2
T2
Sorgente di calore 2
macchina termica
Q2
T1>T2
T2
Sorgente di calore 2
macchina frigorifera
Il rendimento termico
di una macchina termica:
è il rapporto tra l’energia/potenza resa disponibile (utile)
e l’energia/potenza utilizzata per la trasformazione
Eutile
ηt =
Ein
Nel caso di un motore a combustione interna:
Eutile = Perogata
Ein = Pcombustibile
Dall’enunciato di Clausius, è possibile definire un indice di
prestazione del frigorifero come il rapporto tra l’effetto ottenuto
(il calore prelevato dalla sorgente a bassa temperatura, q2) e
l’energia spesa per ottenerlo (la potenza meccanica fornita alla
macchina, Pm).
Più precisamente si parla di coefficiente di prestazione (COP)
della macchina frigorifera il quale corrisponde al rapporto
definito dalla relazione:
q2
q2
COPfrigorifero =
=
Pm
q1 − q2
Alcuni paragoni …
Attività umana
Pmax = 800 W
Pmedia = 50 W
e produce a riposo circa 20 l/h di CO2
Televisore
P = 80 W
Motore auto
P = 80 kW
Lavatrice (classe A)
P = 800 W
Per far crescere una mucca servono 3500 litri di petrolio (1
litro di petrolio ≈ 1 kWh)
Un pro memoria… I fattori di conversione
La temperatura
da °C a °F:
da °C a K:
l’energia
[°F] = 1,8 · [°C] + 32
[K] = [°C] + 273,15
1 kWh = 3,6 MJ
1 kcal = 4186,8 J
la potenza meccanica
1 CV = 735,5 W
1 HP = 746 W