Impianti Termotecnici

Impianti termotecnici

Corso di laurea magistrale biennale in ingegneria della sicurezza LM-26

Codice ING-IND/10

CFU 9

Docente Paola Iodice

Caratteristiche del corso

Il corso di impianti termotecnici è di carattere: teorico e pratico.

Il corso è organizzato in 2 parti.

Temi trattati

Il corso tratta temi riguardanti: l'involucro degli edifici ed i relativi impianti.

Per poter progettare un impianto, è necessario: avere informazioni sulla località, sull'ambito di applicazione, sull'edificio/struttura.

Conoscenze richieste

Si partirà dalle conoscenze della fisica tecnica e in termodinamica, meccanismi di scambio. In particolare si tratteranno gli argomenti: termico, aria umida.

Obiettivo del corso

L'obiettivo del corso è: fornire una conoscenza tecnica e progettuale degli impianti termotecnici e dell'involucro edilizio.

Per conseguire l'obiettivo del corso, è necessario: saper calcolare i carichi termici e conoscere le tipologie impiantistiche.

Sostanza pura

Una sostanza pura è: una sostanza di composizione chimica uniforme ed invariabile.

Una sostanza pura è composta: da 1, 2, ..., n elementi chimici.

Vapore saturo

Caratterizzato dalla coesistenza di liquido e vapore in equilibrio, il vapore saturo corrisponde alla zona sottesa dalla curva a campana.

Il vapore saturo secco è: lo stato in cui è evaporata l'ultima goccia di liquido e corrisponde al tratto destro della curva a campana.

Zona della curva a campana

• La zona del liquido saturo è: quella coincidente con il tratto sinistro della curva a campana.
• La zona del liquido sottoraffreddato è: quella a sinistra della curva a campana.
• La zona del vapore surriscaldato è: quella a destra della curva a campana.

Passaggio di fase

Per una sostanza pura, sotto la curva a campana, cioè in passaggio di fase, la pressione e la temperatura sono: legate da un legame biunivoco monotono crescente.

Condizioni dell'acqua

Conoscendo la temperatura e la pressione del punto 1 a cui si trova l'acqua (T1, p1):

• Se p1 è maggiore della pressione di saturazione dell'acqua corrispondente alla temperatura T1, allora l'acqua si trova in condizioni di: liquido sottoraffreddato.
• Se p1 è minore della pressione di saturazione dell'acqua corrispondente alla temperatura T1, allora l'acqua si trova in condizioni di: vapore surriscaldato.

Aria umida

L'aria umida differisce dall'aria secca in quanto: l'aria umida contiene acqua allo stato vapore surriscaldato.

La pressione dell'aria secca si può calcolare come differenza tra la pressione dell'aria umida e la pressione del vapore d'acqua.

Considerato che la pressione totale è generalmente nota e pari a quella ambiente, per individuare lo stato termodinamico è sufficiente conoscere 2 proprietà indipendenti.

Proprietà dell'aria umida

• Se aumenta la quantità di vapore contenuta nell'aria umida: aumenta la pressione parziale dell'acqua ed il punto si avvicina alla curva di saturazione.
• Le proprietà specifiche dell'aria umida sono riferite: alla massa di aria secca.
• L'umidità specifica è rappresentata dal rapporto tra: la massa di vapor d'acqua e la massa di aria secca.
• L'umidità relativa aumenta se: aumenta la pressione parziale del vapore.
• L'entalpia specifica dell'aria umida si può calcolare conoscendo la temperatura e l'umidità specifica dello stato termodinamico di interesse.

Temperature specifiche

• La temperatura di rugiada è: uguale alla temperatura di saturazione alla pressione parziale di vapore.
• La temperatura di rugiada corrispondente allo stato termodinamico di interesse aumenta all'aumentare della pressione parziale del vapore dello stato.
• La temperatura di saturazione adiabatica è nota se si conoscono l'umidità specifica e la temperatura dell'aria umida nello stato di ingresso.
• La temperatura di saturazione adiabatica è minore della temperatura dell'aria umida nello stato di ingresso.
• La temperatura di saturazione adiabatica è maggiore della temperatura di rugiada ed i loro valori possono coincidere solo se l'aria umida si trova già in condizioni di saturazione.
• La temperatura di bulbo bagnato è minore di quella di bulbo asciutto, perché la corrente di aria umida cede calore per fare evaporare l'acqua della garza.

Diagramma psicrometrico

• Il processo di evaporazione dell'acqua contenuta nella garza che ricopre il bulbo umido comporta: un incremento della pressione parziale del vapore e di conseguenza dell'umidità specifica.
• L'ordinata del diagramma psicrometrico riporta: l'umidità specifica.
• La pendenza della famiglia di curve a Tbb costante sul diagramma psicrometrico è simile a quella delle isoentalpiche.
• L'asse delle ascisse del diagramma psicrometrico riporta la temperatura di bulbo asciutto. Cresce spostandosi verso destra.
• Sul diagramma psicrometrico, la temperatura di bulbo asciutto: cresce spostandosi verso destra.

Calcoli specifici

• La pressione parziale del vapor d'acqua contenuto in una miscela di aria umida alla temperatura di 20°C ed all'umidità relativa del 60%, è pari a: 1.4 kPa.
• 1 bar equivale a: 100 kPa.
• L'umidità specifica di aria umida con temperatura di bulbo asciutto di 15°C ed umidità relativa del 70% è pari a: 7.5 g/kg.
• Per una portata di aria umida di 50000 metri cubi all'ora, alla temperatura di 30°C ed umidità relativa del 60%, la portata massica di aria secca è pari a: 57000 kg/h.
• Per una portata di aria umida alla temperatura di 30°C ed umidità relativa del 60%, il volume specifico è pari a: 0.881 m³/kg.
• Per una portata di aria umida alla temperatura di 30°C ed umidità relativa del 60%, l'entalpia specifica è pari a: 71 kJ/kg.
• Per una portata di aria umida alla temperatura di 30°C ed umidità relativa del 60%, la temperatura di bulbo bagnato è pari a circa: 23.5°C.
• Per una portata di aria umida alla temperatura di 30°C ed umidità relativa del 60%, la temperatura di rugiada è pari a circa: 21°C.
• La portata massica si misura in: Kg/h e/o kg/s.
• La portata volumetrica si misura in: m³/h e/o m³/s.

Ambiente termico

• In un ambiente termico severo, lo scopo è: garantire la sicurezza delle persone.
• In un ambiente termico moderato, lo scopo è: garantire le condizioni di benessere.

Comfort termico

Il principio del comfort termico consiste nell'analizzare le interazioni tra l'uomo e l'ambiente che lo circonda, tenendo conto dello scambio di energia.

Il benessere termoigrometrico è: la condizione di soddisfacimento psicofisico di un individuo, intesa come lo stato di neutralità termica, condivisibile da un gruppo di persone.

Scambio energetico

Per mantenere costante la propria temperatura, il corpo umano cede energia termica all'ambiente secondo diversi meccanismi, cercando di bilanciare il metabolismo energetico.

La potenza sviluppata per attività metabolica, o metabolismo energetico, è: funzione del tipo di attività svolta e vale circa 100 W a riposo e 500 W per attività intense.

La potenza termica dispersa per respirazione tiene conto della differenza di temperatura ed umidità specifica tra aria espirata ed inspirata e del metabolismo energetico.

La potenza termica dispersa per evaporazione dalla pelle dipende da: temperatura dell'aria e della pelle, velocità dell'aria, umidità, resistenza termica dell'abbigliamento.

La resistenza termica dell'abbigliamento in regime estivo e invernale è pari a, rispettivamente: 0.6 clo e 1 clo.

La potenza termica dispersa dal corpo per conduzione si può anche ritenere trascurabile rispetto agli altri termini del bilancio energetico.

Indici di comfort

Gli indici che consentono di valutare il comfort globale sono il PMV ed il PPD e si basano sulla scala termica.

• Il PMV dipende dai seguenti parametri: temperatura dell'aria, temperatura media radiante, velocità relativa dell'aria, pressione parziale del vapore d'acqua, metabolismo, abbigliamento.
• Il PMV risulta affidabile per valori: compresi tra -2 e +2.
• Il PPD ha un minimo all'interno della fascia compresa tra -0.5 e +0.5 del PMV, intesa come zona di comfort.

Discomfort locale

Per il calcolo del discomfort locale, si calcola la percentuale di insoddisfatti (PD), in funzione della elevata differenza verticale della temperatura dell'aria, pavimento troppo caldo o troppo freddo, elevata asimmetria media radiante, correnti d'aria.

La percentuale di insoddisfatti (PD) aumenta in modo monotono crescente all'aumentare della differenza verticale di temperatura dell'aria.

Condizioni termiche

• La differenza verticale di temperatura dell'aria deve essere minore di 3°C.
• La temperatura del pavimento dovrebbe essere compresa tra 19°C e 29°C.
• Per non causare condizioni di insoddisfazione per via di correnti d'aria, la velocità dell'aria deve essere minore di 0.15 m/s.
• Ai fini del Draft Risk, la velocità dell'aria in regime estivo può assumere valori maggiori rispetto al regime invernale.

Bilancio su corrente di aria umida

In generale, per scrivere un bilancio su una corrente di aria umida, si devono considerare le seguenti condizioni: un sistema aperto a regime stazionario in cui entrano ed escono portate di aria e di acqua allo stato liquido e vapore, ed avviene uno scambio di potenza termica con l'esterno.

Bilancio di massa

• In generale, per una corrente di aria umida, il bilancio di massa dell'acqua consiste in: le portate massiche di acqua allo stato vapore e liquido che entrano sono uguali alle portate massiche di acqua allo stato vapore e liquido che escono.
• Nei bilanci di massa dell'acqua, è possibile ritenere: la portata massica di vapore uguale alla portata massica di aria secca moltiplicata per l'umidità specifica.
• Nei bilanci, le portate massiche di aria si esprimono in: kg di aria secca diviso secondo.

Pendenza della trasformazione sul diagramma psicrometrico

• La pendenza della trasformazione sul diagramma psicrometrico si ottiene dal rapporto (Delta h diviso Delta omega) espresso in kJ/g.
• La pendenza della trasformazione sul diagramma psicrometrico si può anche ottenere dal rapporto: potenza termica sensibile diviso potenza termica totale.

Processo di riscaldamento semplice

Nel processo di riscaldamento semplice, è possibile affermare che: la portata massica di acqua liquida entrante nel sistema è nulla. La differenza di umidità specifica tra ingresso ed uscita è nulla.

Il bilancio di energia per la trasformazione di semplice riscaldamento consiste in: la portata massica di aria secca moltiplicata per l'entalpia in ingresso più la potenza termica sono uguali alla portata massica di aria secca moltiplicata per l'entalpia in uscita.

Processo di raffreddamento dell'aria umida

In generale, il processo di raffreddamento dell'aria umida può essere associato sia ad una semplice diminuzione di temperatura della corrente, sia ad una diminuzione di temperatura oltre quella di rugiada, con una contestuale diminuzione di umidità specifica.

Processo di semplice raffreddamento

Nel processo di semplice raffreddamento, è possibile affermare che: la portata massica di acqua liquida uscente dal sistema è nulla. La differenza di umidità specifica tra ingresso ed uscita è nulla.

Il bilancio di energia per la trasformazione di semplice raffreddamento consiste in: la portata massica di aria secca moltiplicata per l'entalpia in ingresso è uguale alla portata massica di aria secca moltiplicata per l'entalpia in uscita più la potenza termica.

Trasformazione di raffreddamento con deumidificazione

• Se si effettua un processo di raffreddamento con deumidificazione di una corrente di aria umida nelle condizioni di Tba1=30°C e phi1=50% fino ad ottenere in uscita una temperatura di bulbo asciutto Tba2=15°C, si può affermare che l'aria umida ha in uscita un'umidità relativa phi=100% ed un'umidità specifica omega=10.7 g/kg.
• Il bilancio di massa dell'acqua per la trasformazione di raffreddamento con deumidificazione consiste in: la portata massica di aria secca moltiplicata l'umidità specifica in ingresso è uguale alla portata massica di aria secca moltiplicata l'umidità specifica in uscita più la portata di acqua condensata.
• Il bilancio di energia per la trasformazione di raffreddamento con deumidificazione consiste in: la portata massica di aria secca moltiplicata per l'entalpia in ingresso è uguale alla portata massica di aria secca moltiplicata per l'entalpia in uscita più la potenza termica più la portata massica di acqua condensata moltiplicata per l'entalpia dell'acqua condensata.

Bilancio di massa dell'aria secca

Il bilancio di massa dell'aria secca per una trasformazione di mescolamento adiabatico consiste in: portata massica di aria secca entrante nel primo ingresso più portata massica di aria secca entrante nel secondo ingresso uguale alla portata massica di aria secca uscente.

Bilancio di massa dell'acqua

Il bilancio di massa dell'acqua per una trasformazione di mescolamento adiabatico consiste in: portata massica di aria secca entrante nel primo ingresso (1) moltiplicata per l'umidità specifica della corrente 1 più portata massica di aria secca entrante nel secondo ingresso (2) moltiplicata per l'umidità specifica della corrente 2 uguali alla portata massica di aria secca uscente (3) moltiplicata per l'umidità specifica della corrente 3.

Bilancio di energia dell'aria umida

Il bilancio di energia dell'aria umida per una trasformazione di mescolamento adiabatico consiste in: portata massica di aria secca entrante nel primo ingresso (1) moltiplicata per l'entalpia specifica della corrente 1 più portata massica di aria secca entrante nel secondo ingresso (2) moltiplicata per l'entalpia specifica della corrente 2 uguali alla portata massica di aria secca uscente (3) moltiplicata per l'entalpia specifica della corrente 3.

Trasformazione di umidificazione adiabatica

• Nel mescolamento adiabatico, riportando i punti 1 e 2 sul diagramma psicrometrico, lo stato termodinamico della portata uscente (3) è: localizzato sul segmento che congiunge i punti 1 e 2, più vicino a quello corrispondente alla portata massica maggiore.

Bilancio di massa per umidificazione adiabatica

• Il bilancio di massa dell'aria secca per una trasformazione di umidificazione adiabatica consiste in: portata massica di aria secca entrante uguale a portata massica di aria secca uscente.
• Il bilancio di massa dell'acqua per una trasformazione di umidificazione adiabatica consiste in: portata massica di aria secca entrante moltiplicata per l'umidità specifica della corrente entrante più portata massica di acqua uguali alla portata massica di aria secca uscente moltiplicata per l'umidità specifica della corrente uscente.

Bilancio di energia per umidificazione adiabatica

Il bilancio di energia dell'aria umida per una trasformazione di umidificazione adiabatica consiste in: portata massica di aria secca entrante moltiplicata per l'entalpia specifica della corrente entrante più portata massica di acqua moltiplicata per l'entalpia specifica dell'acqua uguali alla portata massica di aria secca uscente moltiplicata per l'entalpia specifica della corrente uscente.

Dettagli sulla trasformazione di umidificazione adiabatica

• La trasformazione di umidificazione adiabatica avviene iniettando nella corrente di aria umida: vapore saturo secco o acqua liquida.
• La pendenza della trasformazione di umidificazione adiabatica nel diagramma psicrometrico è verticale se si umidifica con vapore saturo secco ed inclinata secondo un'isoentalpica se si umidifica con acqua liquida.
• In una trasformazione di umidificazione adiabatica, nel caso in cui si utilizzi vapore saturo secco per umidificare la corrente: tale vapore solitamente ha una temperatura intorno ai 110-120°C ed un'entalpia specifica di circa 2700 kJ/kg.

Conversioni di portata volumetrica e aria umida

• Una portata volumetrica di 1000 metri cubi all'ora equivale a: 0,278 metri cubi al secondo.
• Aria umida alla temperatura di 10°C ed umidità relativa del 60% ha un'entalpia specifica di 21,3 kJ/kg.
• Aria umida alla temperatura di 10°C ed umidità relativa del 60% ha un volume specifico di 0,808 metri cubi al kg.
• Aria umida alla temperatura di 10°C ed umidità relativa del 60% ha un'umidità specifica di 4,5 g/kg.

Una portata di 3000 metri cubi all'ora di aria umida, alla temperatura di 10°C con umidità relativa del 60%, attraversa un'unità di trattamento dove viene riscaldata, ad umidità relativa del 60%.