IMPIANTI TECNOLOGICI – CAP. III

Presentazione sul tema: "IMPIANTI TECNOLOGICI – CAP. III"— Transcript della presentazione:

1 IMPIANTI TECNOLOGICI – CAP. III
Progettazione Costruzioni ed Impianti IMPIANTI TECNOLOGICI – CAP. III IMPIANTO RISCALDAMENTO DEI LOCALI DI ABITAZIONE Anno Scolastico 2014/15

2 Trasmissione di calore - Premessa
Progettazione Costruzioni Impianti Trasmissione di calore - Premessa Il calore è una forma di energia trasferita tra corpi a temperatura differente Essendo una forma di energia, il calore, nel SI, viene misurato in joule (J). Per lungo tempo è stata però utilizzata come unità di misura la caloria (cal), definita come la quantità di calore necessaria a portare la temperatura di 1 g di acqua distillata da 14.5°C a 15.5°C (a pressione standard). Il fattore di conversione tra le due unità di misura è il seguente: Anno Scolastico 2014/15

3 Trasmissione di calore - Principi della Termodinamica
Progettazione Costruzioni Impianti Trasmissione di calore - Principi della Termodinamica La branca della scienza che si occupa delle relazioni tra il calore e le altre forme di energia è la termodinamica, basata su due principi: • il primo principio della termodinamica afferma sostanzialmente che l’energia non può essere creata né distrutta, ma solo trasformata da una forma all’altra: questo principio governa quantitativamente ogni trasformazione di energia, ma non pone alcuna restrizione al verso della trasformazione. • il secondo principio della termodinamica afferma invece che non è possibile alcuna trasformazione il cui unico risultato sia il passaggio di calore da una regione a temperatura minore verso una regione a temperatura maggiore. LIMITE : ASSENZA DELLA VARIABILE TEMPO NELLA TERMODINAMICA CLASSICA Anno Scolastico 2014/15

4 Trasmissione di calore – Variabile Tempo
Progettazione Costruzioni Impianti Trasmissione di calore – Variabile Tempo Da un punto di vista pratico-progettuale (che interessa a noi), il problema principale, in presenza di trasmissione di calore, è la determinazione della potenza termica trasmessa per una determinata differenza di temperatura T: infatti, ad esempio, le dimensioni delle caldaie dipendono non solo dalla quantità di calore scambiata, ma principalmente dalla velocità con la quale il calore deve essere scambiato nelle condizioni assegnate. E' dunque fondamentale la variabile tempo. Anno Scolastico 2014/15

5 CONDUZIONE CONVEZIONE IRRAGGIAMENTO
Progettazione Costruzioni Impianti Trasmissione di calore – Lo Scambio Termico Lo scambio termico può essere semplicemente definito come la trasmissione di energia da una regione ad un’altra, dovuta ad una differenza di temperatura. Lo scambio termico è regolato da una combinazione di diverse leggi fisiche indipendenti. In genere, consideriamo tre differenti modalità di trasmissione del calore: Solo la CONDUZIONE e l’ IRRAGGIAMENTO sono processi di scambio termico, in quanto dipendono dalla semplice esistenza di una differenza di temperatura. La CONVEZIONE, invece, dipende anche dal trasporto di materia: d’altra parte, dato che la convezione comporta comunque la trasmissione di energia da regioni a temperatura superiore verso regioni a temperatura inferiore, si usa l’espressione “scambio termico per convezione”. CONDUZIONE CONVEZIONE IRRAGGIAMENTO Anno Scolastico 2014/15

6 Trasmissione di calore - CONDUZIONE
Progettazione Costruzioni Impianti Trasmissione di calore - CONDUZIONE Nei solidi se il calore si trasmette per contatto diretto, il processo viene chiamato conduzione. Se teniamo in mano, per un’estremità, una barretta di ferro e appoggiamo su una fonte di calore l’altra estremità, dopo un po’ di tempo anche l’estremità impugnata comincerà a scottare. Se ripetiamo l’esperimento con una bacchetta di vetro occorre molto più tempo prima che il calore giunga alla nostra mano. La capacità di un corpo di trasmettere il calore, ossia la sua conducibilità termica, dipende dalla natura del corpo, ossia dal materiale di cui è costituito: i metalli sono, in genere, dei buoni conduttori del calore (l’argento, il rame, l’oro, l’alluminio, il ferro ecc.); al contrario, il vetro, il legno, la plastica sono dei cattivi conduttori, non trasmettono bene il calore e spesso vengono utilizzati, proprio per questa proprietà, come isolanti termici: la plastica, il legno, il sughero, il polistirolo e la lana di vetro per isolare le pareti delle abitazioni e impedire la dispersione del calore ecc. Sono, in genere, cattivi conduttori anche i liquidi e i gas, che utilizzano altre modalità di propagazione del calore. Anno Scolastico 2014/15

7 Trasmissione di calore - CONVEZIONE
Progettazione Costruzioni Impianti Trasmissione di calore - CONVEZIONE Liquidi e aeriformi vengono chiamati fluidi perché le loro molecole hanno la possibilità di muoversi, di “fluire” le une sulle altre, mentre nei solidi le molecole sono strettamente ammassate, compatte, pressoché immobili. Nei fluidi la propagazione del calore avviene con un meccanismo che prevede il trasporto delle molecole riscaldate dal basso verso l’alto e di quelle fredde dall’alto verso il basso, realizzando così il mescolamento del fluido che si riscalda. Questo movimento circolare delle particelle è detto moto convettivo e il meccanismo di propagazione del calore nei fluidi è detto convezione. Questo avviene perché gli strati di acqua vicini al fondo della pentola (a contatto con il fuoco) riscaldandosi diventano più leggeri e le molecole, libere di muoversi, salgono verso l’alto; a contatto con la superficie dell’acqua e con le pareti laterali della pentola l’acqua si raffredda e diventa più pesante e precipita nuovamente verso il fondo. Anno Scolastico 2014/15

8 Trasmissione di calore - CONVEZIONE
Progettazione Costruzioni Impianti Trasmissione di calore - CONVEZIONE La convezione è il meccanismo di trasporto del calore che viene sfruttato per riscaldare le case con i termosifoni. Infatti, l’impianto di riscaldamento è costituito da una caldaia collegata per mezzo di tubi ai termosifoni situati nell’appartamento. L’acqua, riscaldata dalla caldaia, risale lungo i tubi e raggiunge i termosifoni che si riscaldano e trasferiscono il calore all’ambiente circostante. L’acqua che invece ha già attraversato i termosifoni, poiché ha perso calore, diventa più fredda e pesante; pertanto ridiscende lungo i tubi di scarico che la riportano alla caldaia, dove viene nuovamente riscaldata. Nella figura a sinistra sono evidenziati i moti convettivi in una stanza: l’aria sopra il calorifero si riscalda e sale verso l’alto spingendo in basso quella fredda. Anno Scolastico 2014/15

9 Trasmissione di calore - IRRAGGIAMENTO
Progettazione Costruzioni Impianti Trasmissione di calore - IRRAGGIAMENTO Il Sole, che riscalda il nostro pianeta, invia calore attraverso il vuoto: infatti gran parte dei 150 milioni di chilometri che ci separano dalla nostra stella sono costituiti da spazio interplanetario, che è pressoché vuoto, ossia privo di materia. In questo spazio vuoto il calore non può propagarsi né per conduzione, né per convezione, perché mancano quasi totalmente le particelle responsabili di questi meccanismi di trasmissione del calore, ossia molecole e atomi. Il Sole, come tutti i corpi caldi, emette delle radiazioni calorifiche, che vengono assorbite dai corpi più freddi, riscaldandoli. Questo meccanismo di propagazione del calore è chiamato irraggiamento. L’irraggiamento si verifica non solo nel vuoto, ma anche nell’aria (dove si somma al meccanismo di convezione). Così il termosifone caldo, oltre a riscaldare l’aria per convezione, emette direttamente radiazioni calorifiche che il corpo umano assorbe. Anche il nostro corpo emette radiazioni calorifiche e, in questo modo, disperde continuamente calore. Se siamo circondati da corpi più freddi del nostro le radiazioni calorifiche inviateci da questi saranno inferiori a quelle che emette il nostro corpo, il quale di conseguenza si raffredderà. Anno Scolastico 2014/15

10 Progettazione Costruzioni Impianti
Trasmissione di calore - Trasmissione del calore attraverso parete Con riferimento ad una parete monostrato, costituita da materiale omogeneo, di separazione tra l’ambiente interno, a temperatura Ti, e l’ambiente esterno, a temperatura Te, in condizione invernale (Ti>Te), si instaura uno scambio di calore tra l’interno e l’esterno attraverso la parete. FLUSSO DI CALORE 1. dall’ambiente interno al paramento interno della parete 2. dal paramento interno al paramento esterno della parete 3. dal paramento esterno della parete all’ambiente esterno Anno Scolastico 2014/15

11 Trasmissione di calore - Trasmittanza
Progettazione Costruzioni Impianti Trasmissione di calore - Trasmittanza Il coefficiente U [W/m2K] è il coefficiente di trasmissione termica della parete o Trasmittanza E’ una grandezza fisica che misura la quantità di calore scambiato da un materiale o un corpo per unità di superficie e unità di differenza di temperatura e definisce la capacità di un elemento nello scambiare energia, ovvero l'inverso della capacità isolante di un corpo dalla conduttività (l) e dallo spessore (s) dei materiali che costituiscono i singoli strati di un elemento costruttivo. La conduttività termica l è specifica per ogni materiale. Un basso valore indica bassa conduttività, un alto valore indica alta conduttività. Per esempio il cemento armato ha l=2,100 W/mK ; Pannelli di sughero l= 0,045 W/mK. L'adduzione è un processo di trasferimento di calore che si ha quando coesistono convezione e irraggiamento. ai è il coefficiente di adduzione interna, mentre ae è il coefficiente di adduzione esterna Anno Scolastico 2014/15

12 Trasmissione di calore - Esempio
Progettazione Costruzioni Impianti Trasmissione di calore - Esempio L’inverso del coefficiente di trasmissione termica, R=1/U, [m2K/W], rappresenta la resistenza termica della parete Anno Scolastico 2014/15

13 Trasmissione di calore – Resistenza termica della parete
Progettazione Costruzioni Impianti Trasmissione di calore – Resistenza termica della parete dove: αi è il coefficiente di adduzione superficiale interno [W/m2K] αe è il coefficiente di adduzione superficiale esterno [W/m2K] si è lo spessore dello strato omogeneo i-mo [m] λi è il coefficiente di conduttività termica dello strato i-mo [W/mK] Cj è il coefficiente di conduttanza dello strato j-mo non omogeneo [W/ m2K] ra è la resistenza termica della lama dell’intercapedine Anno Scolastico 2014/15

14 Trasmissione di calore - Conduttività dei materiali di uso comune
Progettazione Costruzioni Impianti Trasmissione di calore - Conduttività dei materiali di uso comune Materiale λ [W/mK] Acciaio normale 45,4 Intonaco di calce e sabbia Perlite conglomerata con cemento 0,227 Alfol (fogli lisci) 0,033 esterno 0,87 (γ = 500 kg/m3) 0,107 Alluminio 209 interno 0,70 (γ = 415 kg/m3) 0,092 Ardesia 1,98 Intonaco di cemento e sabbia 1,40 Plexiglass 2,10 Argilla secca 0,93 Intonaco di gesso e sabbia 0,81 Pomice naturale 0,23 Aria 0,026 Intonaco di gesso per interni 0,52 Pomice conglomerata con cemento Asfalto Intonaco di gesso e vermiculite 0,29 Basalto 3,50 normale 0,41 (γ = 500 kg/mc) 0,10 Anno Scolastico 2014/15

15 Trasmissione di calore - Conduttività dei materiali di uso comune
Progettazione Costruzioni Impianti Trasmissione di calore - Conduttività dei materiali di uso comune Materiale λ [W/mK] Calcare (γ = 1900 kg/m3) 1,50 Lana minerale di rocce (γ = 2100 kg/m3) 1,70 sfusa 0,037 (γ = 2700 kg/m3) 2,90 in materassini 0,038 Calce 0,90 Lana minerale di vetro Pomice conglomerata con cemento cellulare 0,17 Calcestruzzo armato 1,51 Polistirolo espanso 0,035 Calcestruzzo cellulare Poliuretano espanso 0,026 (γ = 800 kg/m3) 0,29 Laterizi comuni Porcellana piastrelle 1,05 (γ = 600 kg/m3) 0,23 esterni (2000 kg/m3) 0,93 Rame commerciale 349 (γ = 400 kg/m3) 0,14 interni (2000 kg/m3) 0,81 Sabbia secca 0,58 Anno Scolastico 2014/15

16 Trasmissione di calore - Conduttività dei materiali di uso comune
Progettazione Costruzioni Impianti Trasmissione di calore - Conduttività dei materiali di uso comune Materiale λ [W/mK] Calcestruzzo magro 0,93 Sughero conglomerato con catrame 0,058 Calcestruzzo isolante 0,08 (γ = 1800 kg/mc) 0,70 (γ = 400 kg/m3) 0,081 Carbone in polvere 0,12 Legno (flusso ┴ alle fibre) espanso in lastre Carta e cartone 0,16 Abete Terreno secco 0,81 Cartone bitumato 0,186 Acero 0,192 leggermente umido 1,74 Ceramica 1,16 Balsa 0,046 umido 2,30 Ferro ordinario 58 Pino 0,15 Torba in lastre Fibra di vetro 0,035 Quercia 0,21 In lastre compresse Gesso 0,43 Legno (flusso ║ alle fibre) In polvere 0,07 Anno Scolastico 2014/15