lezione_04_2016

energia e calore per il benessere
degli ambienti
Piercarlo ROMAGNONI
Dorsoduro 2206
30123 Venezia
 041 257 12 93
[email protected]
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
Valvola termostatica
Corpo scaldante
Design termosifoni
ventilconvettori
Elementi di un
ventilconvettore
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 termostato monitora la temperatura dell’aria e segnala al ricevitore
la necessità di accendere o spegnere il riscaldamento, per mantenere
la temperatura desiderata.
I sistemi più evoluti comprendono diversi sensori, come ad esempio
quelli di movimento, luce e umidità, che permettono di registrare le
azioni fatte nell’arco di sette giorni, di memorizzarle, e di autoimpostare le azioni in funzione del comportamento
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
p
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:
 Conduzione – il gas ha conducibilità
bassa: aria 0,026 W/(m K), l’alluminio
sui 50 W/(m K)
 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
 Irraggiamento – le superfici con
bassa emissività scambiano poca
energia
Superfici più estese scambiano
più calore
e1, T1
e1>e2
T1≠T2
La convezione termica
Dipende dalla differenza della temperatura
tra aria e superficie, dalla velocità del
fluido e dalla superficie di scambio
La radiazione termica
Dipende dalle
temperature delle
superfici, dalla distanza e
dalla reciproca posizione
e dall’estensione delle
superfici, dal materiale
(emissività)
100
1800
90
1600
80
Solar Radiation (left scale)
Extraterrestrial
Surface (1.5 atm)
1400
1200
1000
600
400
60
Blackbody
Radiation
(right scale):
Relative
Sensitivity
of Human
Eye
800
70
50 C
o
0 C
o
-50 C
0
0.1
1.0
10.0
Wavelength (mm)
40
30
o
200
50
20
10
0
100.0
2
2000
Intensity (W/m /mm)
2
Intensity (MW/m /mm)
Il modello del corpo nero
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
Teoricamente:
Fluido
in uscita
Fluido in ingresso
Qtotale = Mcombustibile Hu = QFumi + Qutile + Qdisperso
Hu = potere calorifero del combustibile
I combustibili solidi
I combustibili solidi naturali (o carboni) derivano dalla
carbonizzazione del legno e di altre sostanze vegetali (e
talvolta animali) che si sono trasformati nel tempo in:
Torba
Lignite
Litantrace
Antracite
Coke (artificiale)
I combustibili solidi possono essere gassificati.
La gassificazione consiste schematicamente nel portare a
contatto ad alte temperature il carbone con il vapor d’acqua ed
ottenere idrogeno H2.
Combustibili liquidi
Il petrolio rivela la presenza di 86-87% in peso di C e di 11-13
% di H e di piccole quantità di S, O, N.
Per distillazione è possibile ottenere:
GPL: gas di petrolio liquefatto. Ottenuto per liquefazione a bassa
pressione dei gas propano e butano che escono dalla parte più
alta della colonna di distillazione
BENZINA: condensa a temperature fino a 200°C
CHEROSENE: carburante per aerei
GASOLIO: impiegato in motori diesel per autotrazione e per il
riscaldamento civile
OLIO PESANTE: impiegato negli impianti termoelettrici, nel
riscaldamento industriale, nei motori diesel fissi di grande
potenza, condensa a T>330°C.
Combustione gassosa
Il metano CH4, in presenza di O2, fornisce la seguente
reazione:
CH4 + 2 O2  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  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
La fiamma
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.
Rendimento della caldaia
Q N  Potenza utile della caldaia
Q S  Potenza dispersa dal rivestimento (caldaia in funzione)
Q A  Potenza dispersa dai fumi
Q
 Potenza al focolare  H  B
Br
u
B  portata oraria di combustibile [m 3 / h]
H u  potere calorifero del combustibile [kWh / m 3 ]
Q N
 
Q Br
Il generatore di
calore:
caldaia a
basamento,
gruppi termici
Caldaie a condensazione
Residenziale
Scarico condensa
La tecnologia
teste di
combustione
I bruciatori tradizionali
I bruciatori tradizionali
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
 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
La termodinamica
Analisi di un sistema soggetto a scambi di energia
Come calcolare le quantità energetiche scambiate?
Posso calcolare l’energia termica che serve per un
processo conoscendo la variazione di temperatura
del sistema
L’energia termica può servire anche per produrre
lavoro meccanico
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
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 ?


Wrev  Carnot Q1
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
t 
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
Nel caso delle macchine ideali (Carnot) si trova:
t ,Carnot
T1  T2
T2

1
T1
T1
COPfrigorifero,Carnot
T2

T1  T2
Esempi
Si abbia una caldaia con t = 0,90 che necessita di fornire ad
un’abitazione q = 20 kW termici
Nell’ipotesi di usare gas metano (HU = 50,2 MJ/kg; densità =
0,717 kg/m3), definire il consumo di metano in queste condizioni
Poiché: t = q/ qmetano; qmetano = q/ t = 22,22 kW termici
qmetano = Gmetano * Hu
metano
ovvero:
Gmetano = Hu, metano/ qmetano = 50,2 * 106/ 22,2 * 103 = 2261 kg/s
= 0,628 kg/h
= 0,876 m3/h
Si deve provvedere a fornire energia termica all’acqua per una doccia.
Temperatura dell’acqua della rete: t1 = 10°C
Temperatura dell’acqua all’uscita: t2 = 40 °C
Portata di acqua per la doccia: G = 0,2 l/s (dm3/s)
Calore specifico: c = 4200 J/(kg °C)
Densità acqua = 1000 kg/m3
La potenza termica richiesta è pari a:
q = G r c (t2 – t1) = 0,0002 ∙ 1000 ∙ 4200 ∙ (40 – 10) = 25,2 kW
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
l’energia
1 kWh = 3,6 MJ
1 kcal = 4186,8 J
1 BTU = 1055 J
la potenza meccanica
1 BTU/h = 0,293 W
1 CV = 735,5 W
1 HP = 746 W
Il comfort termico
Il bilancio energetico dell’individuo
I parametri che influenzano gli scambi termici tra uomo e
ambiente, determinando la condizione di benessere sono:
- 4 parametri ambientali:
Temperatura ta dell’aria
Velocità dell’aria va
Temperatura media radiante tmr
Umidità relativa dell’aria
dell’ambiente U.R.
- 2 parametri individuali:
Resistenza termica conduttiva ed
evaporativa del vestiario
Dispendio metabolico correlato
all’attività svolta
S = f (M, Icl, ta, tmr,va,U.R.)
Temperatura media radiante
E’ definita come la temperatura uniforme di un corpo nero
che scambia, per radiazione a parità di forma, con il corpo,
la stessa potenza termica che effettivamente il corpo
scambia con le pareti dell'ambiente
La radiazione ricevuta da una persona in un ambiente può
essere
determinata
conoscendo
le
dimensioni,
le
caratteristiche termiche e la posizione, relativa alla persona,
delle sorgenti di calore che si trovano nell’ambiente.
Resistenza termica dell’abbigliamento
La resistenza termica
dell’abbigliamento è
espressa dall’unità di
misura incoerente: “clo”:
1 clo = 0,155 m2K/W
L’isolamento termico
dell’abbigliamento
dipende da:
Spessore e porosità dello
strato,
Superficie corporea
coperta
Criteri di valutazione degli ambienti:
gli indici
• AMBIENTI MODERATI
• Indici comfort globale:
- PMV, PPD
• Indici di discomfort
locale:
- Gradienti termici
verticali ed orizzontali
- Correnti d’aria
- Asimmetria
temperatura media
radiante
• AMBIENTI SEVERI
• Indici di stress
(freddo):
- IREQ, WCI,…
• Indici di stress
(caldo):
- WBGT, SWreq , Wreq,…
Voto Medio Previsto
VOTO
+3
+2
+1
0
-1
-2
-3
SENSAZIONE
molto caldo
caldo
leggermente caldo
Neutra
leggermente freddo
freddo
molto freddo