UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II
DIPARTIMENTO DI AGRARIA
EDILIZIA ZOOTECNICA
SCUOLA DI SPECIALIZZAZIONE IN TECNOLOGIA
E PATOLOGIA DELLE SPECIE AVICOLE, DEL
CONIGLIO E DELLA SELVAGGINA
PROF.SSA STEFANIA PINDOZZI
AGR/10 COSTRUZIONI RURALI E TERRITORIO AGROFORESTALE
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BILANCIO TERMICO
Ovaiole
Raffrescamento dei fabbricati
3
Le possibili soluzioni sono :
raffrescare l’aria di ventilazione con un
pannello evaporativo;
nebulizzare acqua nei canali di aerazione;
raffrescare nebulizzando acqua
direttamente nelle zone scoperte e sui tetti
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Pannello evaporativo
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I pannelli evaporativi possono funzionare in pressione o in
depressione.
Il sistema in pressione presenta il grosso vantaggio di
poter essere combinato con la ventilazione naturale.
Il vantaggio del sistema in depressione, è di una maggior
uniformità di condizioni all’interno. Infatti parte dell’aria
aspirata dai ventilatori è richiamata attraverso le
imperfette tenute; ciò comporta che in prossimità dei
ventilatori, quindi nel punto più lontano dai pannelli si
otterrà una maggior portata che parzialmente compensa la
maggior temperatura.
Elevate uniformità si possono ottenere anche col sistema in
pressione trasversale o canalizzato in tubi
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I pannelli evaporativi orizzontali
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I pannelli evaporativi orizzontali hanno una maggior
durata in caso di impiego di acque un poco dure.
Inoltre nel caso di pannelli verticali, esiste una certa
pericolosità quando li si deve smontare per sostituire il
materiale di riempimento.
Per contro la distribuzione dell’acqua nella disposizione
orizzontale, è affidata agli ugelli che risultano quindi
bisognosi di maggior manutenzione. Nei pannelli
verticali lo scorrimento dell’acqua avviene con
sufficiente uniformità per altezze del pannello
comprese tra 0,5m e 2,5 m
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Pannello evaporativo
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Si definisce un rendimento del pannello :
η=
raffrescamento dell ' aria otenuto
raffrescamento dell ' aria otenibile
I materiali di riempimento possono essere trucioli di legno,
fibre sintetiche, carbone o argilla espansa.
I pannelli in trucioli hanno uno spessore di circa 50mm
(devono essere riempiti tanto “da non poter più vedere
attraverso di essi”)
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Pannello evaporativo
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La velocità dell’aria nei
pannelli deve essere più
bassa di 0.75 m/s.
Per pannelli riempiti in trucioli
di legno, la velocità massima
dell’aria deve essere minore
di 0.75 m/s per montaggio
verticale e minore di 1 m/s
per montaggio orizzontale.
Per pannelli riempiti con
materie plastiche si
raggiungono velocità di 1.25
m/s con montaggio verticale
e spessore del pannello di
100 mm.
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La tecnologia che sta alla base del
sistema di evaporazione
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L’acqua viene fatta circolare all’interno del sistema per mezzo di
una pompa. L’acqua viene spinta nei tubi di distribuzione della
parte superiore del sistema e poi viene spruzzata nel deflettore.
L’acqua defluisce giù attraverso la superficie corrugata del pannello
evaporativo. Una parte evapora a causa del calore e dell’aria
secca che passa attraverso il pannello stesso. Il resto dell’acqua
provvede a bagnare tutto il pannello e viene poi fatta defluire
nuovamente all’interno della pompa attraverso la raccolta acqua
nella parte sottostante del sistema.
Il calore che serve all’evaporazione dell’acqua viene assorbito
dall’aria stessa. Quindi l’aria che passa attraverso il pannello si
sarà allo stesso tempo raffreddata e umidificata, senza per altro
alcuna aggiunta di energia esterna, ma come conseguenza del
processo di evaporazione.
Questo è un sistema naturale di raffreddamento.
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L’aria umida e l’uso del diagramma
psicrometrico
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La climatizzazione dell’aria prevede una serie di
trattamenti che hanno come fine quello di ottenere
nell’ambiente climatizzato condizioni ottimali di
temperatura ed umidità.
Tali trattamenti fanno riferimento ad aria che, nelle
applicazioni tipiche del condizionamento, può
essere considerata come una miscela binaria di
gas perfetti: aria secca e vapor d’acqua.
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TERMODINAMICA DELL’ARIA UMIDA
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Al campo della psicrometria appartiene lo studio
delle miscele di aria secca e vapor d’acqua e delle
relative trasformazioni.
Tale studio risulta fondamentale al fine di garantire
condizioni di benessere in ambienti climatizzati
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TERMODINAMICA DELL’ARIA UMIDA
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L’aria umida è una miscela di due gas perfetti: un
aeriforme, l’aria secca, e un componente
condensabile, cioè il vapor d’acqua, il cui contenuto
varia in funzione delle condizioni ambientali.
L’aria secca è a sua volta una miscela di altri gas che
nelle trasformazioni del condizionamento ambientale
mantengono un rapporto di concentrazione costante.
Per caratterizzare lo stato dell’aria umida si
considerano varie grandezze, fra cui il titolo, il grado
igrometrico, l’entalpia.
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Il diagramma psicrometrico
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Il diagramma psicrometrico viene utilizzato ai fini
del calcolo delle trasformazioni subite dalle miscele
d’aria e vapor d’acqua ed è riferito alla pressione
atmosferica standard (circa 1,013 bar).
Lo stato fisico di una miscela (temperatura, umidità ,
entalpia) viene rilevato sul diagramma noti due
qualsiasi parametri
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Le trasformazioni dell’aria umida vengono studiate e
rappresentate sul diagramma psicrometrico:
13
Su tale diagramma
abbiamo la possibilità
di individuare tutte le
grandezze
termoigrometriche
dell’aria da trattare:
Temperatura a bulbo
secco;
Umidità specifica;
Umidità relativa;
Temperatura a bulbo
umido;
Temperatura di
rugiada.
Entalpia;
Volume specifico;
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Umidità assoluta o Titolo x
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Per sapere in che proporzione il vapor d’acqua è contenuto
nella massa dell’aria secca si fa riferimento al titolo della
miscela (o umidità assoluta) indicato generalmente con x :
TITOLO x = (massa di vapore / massa di aria secca) x =
mv / ma
Il titolo della miscela è riferito ad 1 m³ di miscela;
Nelle trasformazioni la composizione dell’aria secca rimane
invariata e quindi con massa costante
Il quantitativo corrispondente di vapor d’acqua varia
pertanto non solo la composizione della miscela ma anche
tutte le altre proprietà fisiche sono riferite alla unità di
massa d’aria secca.
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Umidità relativa
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La massa totale m della miscela sarà:
m = mv + ma
Il titolo della miscela non viene però utilizzato per
esprimere le condizioni di benessere di un ambiente,
che vengono invece riferite all’ umidità relativa (UR) o
grado igrometrico ϕ definito dal rapporto:
UR = ϕ = mv / ms
dove :
mv = massa di vapor d’acqua
ms = massa del vapor d’acqua che satura il volume alle
stesse condizioni di pressione e temperatura
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Umidità
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Nel tubo dell’esperimento
di Torricelli una goccia
d’acqua SENZA ARIA fa
abbassare , dopo il tempo
di evaporazione, la
colonnina di mercurio del
tot corrispondente alla
pressione dovuta al peso
del vapor acqueo, detta
Pressione o Tensione di
vapore.
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Umidità
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Si raggiunge la pressione detta di tensione di
saturazione o di vapor saturo aggiungendo altra
acqua fino al limite di pressione oltre il quale si crea
equilibrio tra condensa sulle superfici del tubo e
evaporazione
Tensione di vapore segue legge dei GAS (PV=nRT)
Tensione di saturazione dipende direttamente solo
dalla T (la quantità d’acqua allo stato di vapore
per unità di volume d’aria è maggiore a
temperature maggiori)
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Umidità assoluta e relativa
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Si definisce Umidità Assoluta il peso di vapor d’acqua
nell’unità di volume d’aria:
UA=Pv/V
(kg/m3)
Si definisce Umidità Relativa (o grado igrometrico) il
rapporto tra tensione di vapore nell’aria (ed) e la
tensione di saturazione a una data T (es) :
UR= (ed / es ) *100
(%)
È evidente che l’umidità relativa non possa mai
superare il 100%
Fattore di evaporazione : D= es- ed
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(Pa)
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Misura umidità relativa
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Lo strumento di misura più
semplice e diffuso è
l’igrometro a capelli,
accoppiato ad un
termografo che sfrutta,
come principio di
trasduzione, la capacità di
allungarsi o accorciarsi dei
capelli umani (oggi si
preferiscono però materiali
sintetici a loro simili) ed è
solitamente accoppiato ad
un termografo bimetallico.
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Funzionamento meccanico
dell’igrometro a capello
20
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Misura umidità relativa
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Un altro strumento è lo psicrometro, utilizzato
normalmente negli ambienti chiusi; esso consta
essenzialmente di due termometri, entrambi
costantemente aerati con un piccolo ventilatore:
uno semplice per la misura della temperatura dell’aria
(termometro a bulbo asciutto)
uno ricoperto di un sottile strato di garza bagnata con
acqua distillata (termometro a bulbo bagnato).
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Termometro bulbo umido
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Misura umidità relativa
23
La temperatura riportata da quest’ultimo, cui è
sottratto calore per evaporazione (calore latente),
è ovviamente minore. Dalla differenza fra i due
strumenti, è possibile risalire all’umidità relativa
attraverso una costante, tabellata dalla ditta
costruttrice dell’apparecchio.
Ad esempio se l’aria è satura di vapore (ed=es) non
vi sarà evaporazione e la differenza di
temperatura tra i due termometri è zero, di
conseguenza UR=100%
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Termoigrografo
24
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Cos’è L’ENTALPIA
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L’entalpia o contenuto termico totale di un sistema, è una funzione
di stato.
Con essa si tiene conto oltre che dell'energia delle particelle che
costituiscono il sistema materiale anche dell'energia determinata
dalla pressione e dal volume del sistema stesso, la quale viene
espressa tramite il prodotto PV che ha le dimensioni di un lavoro
(energia).
Per le nostre applicazioni ci interessa l’entalpia come somma
dell’energia interna dell’aria e del vapore
L'entalpia si misura in joule, nel Sistema internazionale, oppure
in calorie.
A causa del fatto che non è possibile conoscere il valore assoluto
dell'energia interna di un sistema o di una sostanza, si può misurare
solo la variazione di entalpia, ∆H, durante una determinata
trasformazione e non il suo valore assoluto.
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Entalpia
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L’entalpia di 1 kg di aria secca alla temperatura T (ha) è pari al
calore necessario per portare 1 kg di aria secca da 0°C a T °C:
ha = cpa T
dove cpa = 1,005 kJ/kg K è il calore specifico a pressione costante
dell’aria secca.
L’entalpia del vapore sarà la somma del calore necessario a
vaporizzare una certa quantità di acqua alla temperatura di 0°C
e del calore necessario a portare tale vapore alla temperatura T:
hv = x λ + x cpv t
dove cpv = 1,875 kJ/kg K è il calore specifico a pressione costante
del vapor d’acqua
ed λ = 2501 kJ/kg è il calore latente di vaporizzazione dell’acqua
a 0°C.
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Ulteriori parametri
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Ulteriori parametri molto importanti nella psicrometria
sono:
la temperatura di rugiada: per l’aria umida in un
determinato stato fisico è definita come la temperatura
alla quale si raggiunge la condizione di saturazione
attraverso un processo di raffreddamento isobaro a titolo
costante;
la temperatura di bulbo bagnato (o bulbo umido):
definita come la temperatura cui si porta l’acqua in
condizioni di equilibrio di scambio di calore convettivo e
di massa con aria in moto fortemente turbolento. Si
misura con un termometro (schermato da ogni effetto
radiante) il cui elemento sensibile è mantenuto bagnato da
acqua (come avviene nello psicrometro).
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Calore Sensibile
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Il calore sensibile è quell'energia che, quando viene
somministrata ad un corpo, provoca un aumento
della sua temperatura.
L’aggettivo “sensibile” è dovuto al fatto che tale
calore si manifesta, cioè è possibile apprezzarlo,
proprio attraverso l’aumento della temperatura che
esso provoca.
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Calore latente
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Il calore latente è quell'energia che, quando viene
somministrata ad un corpo, ne provoca il
suo cambiamento di stato, a temperatura costante.
A seconda del cambiamento di stato, si distingue tra
calore latente di fusione/solidificazione e calore
latente di vaporizzazione/condensazione.
In questo caso l’effetto provocato dal calore non
consiste in un aumento della temperatura, ma in una
trasformazione dello stato fisico della materia.
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Esempio
Raffrescamento ovaiole
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4 piani
*2
livelli
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Batterie
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Supponiamo che nel capannone vi siano:
4 batterie
da 78 m di lunghezza
larghe 1.2 m per 8 piani (4+4) :
8*4*78*1.2=2995 m²
Ogni capo 750 cm² pari a 0.075 creature/m²
2995/0.075= 39936 capi
Circa 40.000 capi accasabili (N)
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Capannone
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Capannone è largo 10 m e lungo 85 m con una
superficie in pianta di 850 m²
L’altezza alla gronda del capannone sia di 6 m
Il volume, (trascurando il colmo che per altro è
occupato dagli impianti e meglio sarebbe se
controsoffittato) è di 850 x 6= 5100 m³
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Condizioni esterne estive
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La temperatura esterna massima di progetto e la
corrispondente UR% siano:
Te = 32 °C
URe %= 40%
Le condizioni di ventilazione dell’aria immessa siano
Ti = 25 °C
URi = 75%
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Condizioni esterne
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• Test 32 °C
• UR est 40%
• hest Entalpia Est 15
kcal/kg
• Xest Contenuto di
Vapore 12 g/kg
• vest Volume specifico
0.88 m³/kg
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Condizioni di ventilazione
36
• Tint 25 °C
• UR int 80%
• h int Entalpia Est 15.7
kcal/kg
• X int Contenuto di
Vapore 15.8 g/kg
• v int Volume specifico
0.855 m³/kg
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La portata d’aria di ventilazione si misura in m³
Ogni m³ d’aria pesa 1/0,88 =1.136 kg/m³
l’aria esterna arriva con Xest = 12 g/kg e deve
passare a X int = 15.8 g/kg aggiungendo quindi
3,8 g/kg di aria ovvero 3.8*1.136= 4.32 gacqua a
m³ di aria immessa.
L’acqua l’aggiungo col pannello evaporativo
riempito di trucioli o con gli sprinkler
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Scelta del sistema di raffrescamento
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Se immaginiamo di usare i pannelli dobbiamo
immaginare un coefficiente di bypass. Se
immaginiamo gli sprinkler dobbiamo immaginare di
regolarne la portata.
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Immaginiamo i pannelli con efficienza
90%
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Determinazione dei ricambi d’aria
40
Il calore che serve all’evaporazione dell’acqua viene
assorbito dall’aria stessa. Quindi l’aria che passa
attraverso il pannello si sarà allo stesso tempo raffreddata
e umidificata, senza per altro alcuna aggiunta di energia
esterna. Si conserva l’entalpia totale.
Se andassimo senza bypass, l’aria di ricambio, che
all’esterno ha Xest = 12 g/kg, entrerebbe con UR=90% t=
23 e X pannello = 15.5
Con la miscela ci possiamo solo posizionare su un punto con
entalpia E= 15. Per mantenere 25 °C la quantità di acqua
xmiscela = 14.9
La percentuale di aria che deve attraversare il pannello
sarà (100/(15,5-12)*(14,9-12) = 83 %
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In buona sostanza si devono regolare le aperture in
modo che il 18% della portata baypassi i pannelli
evaporativi.
A questo penserà automaticamente la centralina, ma
deve essere ben chiaro che la miscela che entra è
25°C, UR75%.
Se fuori la temperatura fosse più alta, per esempio
40% 35°C, potremmo al più a 25°C UR=90% o a
80% 27 °C. Poiché all’interno c’è la respirazione, devo
accontentarmi di 27 °C e la produzione la farò la sera
o il giorno dopo
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Condizioni di ventilazione
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• Timissione 25 °C
• UR immissione 75%
• h miscela Entalpia
Miscela 15 kcal/kg
• X miscela Contenuto di
Vapore 14.5 g/kg
• v miscela Volume
specifico 0.86 m³/kg
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Produzione di calore totale per
animale (W)
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Secondo la CIGR la produzione totale di calore per
le galline ovaiole è data dalle seguenti equazioni:
Φ
7.0 ∙ .
Esistono molte altre formule, ma per lo scopo questa
può essere considerata sufficientemente attendibile
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Produzione di calore totale per
animale
44
Per un peso corporeo di 1,5 kg si ha una
produzione di calore totale di Φ
7.0 ∙
1.5 . =9.5 W per un capo
La produzione totale di calore deve essere poi
corretta in base alla temperatura cui è sottoposto il
capo (circa 30 °C nel nostro esempio) con la
seguente:
4 ∙ 10 20
1= 0.96
Φ = 9.5*0.96=9.11 W per un capo a 30 °C
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Proporzione tra calore sensibile e
latente
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Il calore totale degli animali è costituito da calore
latente e sensibile. La proporzione dipende dalle
condizioni di temperatura nella struttura.
Ad una determinata temperatura il calore sensibile
della struttura è dato da:
Φ
Φ ∙ 0.8 1.85 ∙ 10
10 4
Nell’esempio T=30 °C e quindi Φ
2.97 W/capo
Il calore latente sarà il totale meno il sensibile Φ =
Φ
Φ =9.11-2.97=6.13W/capo
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Calcolo della potenza totale prodotta (Φ ) nel ricovero
e della portata di vapore (Qvap) prodotta dagli animali
46
Nell’allevamento sono previsti 40000 capi e quindi
Φ = Φ ∙ N 364 kW
Φ = Φ ∙ N =119 kW
Φ = Φ ∙ N =245 kW
Il calore per evaporare l’acqua (calore latente) è pari
a Φ 23 =2.5*106J/kgacqua
Conseguentemente l’acqua prodotta dagli animali è
45 6 =
789
7:;<=:
>? ∙@ A B
>. ∙@
C
D
=98 g/s
EF:;<=:
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47
L’aria di ricambio entra a
•
Timissione =25 °C; UR immissione = 75%; h miscela =15 kcal/kg; Xmiscela =14.5 g/kg; v
miscela
= 0.86 m³/kg
e vogliamo che esca a non più di
Tuscita =30 °C; UR uscita = 75%; h uscita =19.5 kcal/kg; Xuscita =22 g/kg; v uscita
= 0.89 m³/kg
Possiamo far acquisire all’aria al massimo 4,5 (19,5-15) kcal/kg pari a
4,5*4186 =18837 J/kg prima di farla uscire dal ricovero. Questa energia
è data dal calore totale e dal calore trasmesso dal tetto e dalle
tamponature. Trascuriamo quest’ultimo in prima approssimazione
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48
La potenza termica degli animali nel ricovero è 364
kW pari a 364000 J/s
Ogni kg di aria che entra e che quindi esce asporta
18837 J/kg
Devono transitare 364000/18837=19 kg/s
Poiché il volume specifico è 0.89 m³/kg si avrà
19*0.89=17.21 m³/s
Il fronte delle batterie è circa 80*5=400 m²
La velocità dell’aria è dell’ordine di 0.043 m/s che è
verosimile in un pollaio (non si deve spegnere una
candela)
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i 98 g/s di vapore dovrebbero essere asportati dall’aria
Ogni kg di aria nelle condizioni ipotizzate entra con 14.5
g/kg ed esce con 22 g/kg asportando 7,5 g/kg. Un m³ di
aria asporta 7,5 *0.89 =6.67 gacqua/m³di aria
17.2 m³/s asportano 17.2*6.67= 115 g/s
Poiché si devono asportare solo 98 g/s la portata può
essere ridotta oppure possiamo aspettarci una condizione
diversa. La variazione di titolo sarà 98/17.2= 5.7
gacqua/m³di aria cioè l’aria uscirà con l’entalpia prevista h
uscita 19.5 kcal/kg e titolo = 14,5+5.7=20.2 g/kg
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Entrando nel diagramma con h uscita 19.5 kcal/kg e
titolo =20.2 g/kg
Si ottiene la temperatura nel ricovero in uscita T=
30 °C e UR= 72%
Mentre quella che entra è
Timissione 25 °C UR immissione 75% h miscela 15
kcal/kg X miscela 14.5 g/kg v miscela 0.86 m³/kg
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