Sistemi idronici - Ordine degli Ingegneri di Roma

IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE:
TERMODINAMICA DEI CICLI
FRIGORIFERI AD ARIA ED ACQUA
Ing. Attilio Pianese
(commissione Energia e Impianti)
SCOPO DEGLI IMPIANTI DI
CONDIZIONAMENTO
Gli impianti di condizionamento devono:
• RAFFREDDARE L’AMBIENTE
• DEUMIDIFICARE
• CONTROLLARE LA PUREZZA DELL’ARIA,
• IMMETTERE L’ARIA CON VELOCITA’
OPPORTUNA.
⇓
cioè garantire il BENESSERE delle PERSONE
CLASSIFICAZIONE DEGLI IMPIANTI DI
CONDIZIONAMENTO
•
•
•
•
IMPIANTI A TUTT’ ARIA
IMPIANTI AD ARIA ED ACQUA
IMPIANTI A SOLA ACQUA
IMPIANTI A FLUIDO FRIGORIGENO
A SECONDA DEI TIPI DI IMPIANTI E’ POSSIBILE CONTROLLARE
TUTTE O PARTE DELLE VARIABILI CHE INTERESSANO.
IN GENERALE SOLO GLI IMPIANTI PIU’ COMPLESSI CONSENTONO
IL CONTROLLO DI TUTTE LE GRANDEZZE.
CICLO FRIGORIFERO
LE FASI DEL CICLO FRIGORIFERO SONO:
• L’EVAPORAZIONE (DEL FLUIDO
FRIGORIGENO) O FASE UTILE
• LA COMPRESSIONE
• LA CONDENSAZIONE
• LA LAMINAZIONE PER RIPORTARE IL
FLUIDO FROGORIGENO A BASSA
PRESSIONE
EFFETTO FRIGORIFERO UTILE
L’ effetto frigorifero utile ε è definito:
Q2
ε=
860 ⋅ L
Q2 = calore estratto in Kcal/h o Kfrig/h,
L = è il lavoro fornito espresso in KW.
Per una macchina di Carnot reversibile
ε MAX
T2
=
T1 − T2
con T1 e T2 in K.
FRIGORIFERI AD ARIA E AD ACQUA
per la produzione di acqua fredda a 6 ÷7 °C
IL CONDENSATORE DEL FLUIDO FRIGORIGENO PUO’
ESSERE REFRIGERATO:
- AD ARIA
- AD ACQUA
NEL CASO DI FRIGORIFERO AD ARIA LA TEMPERATURA DI
CONDENSAZIONE DEL FLUIDO FRIGORIGENO E’ GENERALMENTE DI 50 °C.
NEL CASO DI FRIGORIFERO AD ACQUA LA TEMPERATURA
DI CONDENSAZIONE DEL FLUIDO FRIGORIGENO E’
INFERIORE: PUO’ ESSERE AD ESEMPIO DI 38 °C SE L’ACQUA
IN USCITA DAL CONDENSATORE HA TEMP. PARI A 35 °C.
CONSEGUENTEMENTE, NELLE IPOTESI PRECEDENTI:
PER FRIGORIFERI AD ARIA
εMAX = 4,38
PER FRIGORIFERI AD ACQUA
εMAX = 5,48
con temperatura di evaporazione di – 10 °C
IN PRATICA:
PER FRIGORIFERI AD ARIA
ε = 2,7 ÷ 2,8
PER FRIGORIFERI AD ACQUA
ε = 3,5 ÷ 4,0
TIPOLOGIE DI REFRIGERANTI
I fluidi frigorigeni più utilizzati attualmente sono:
• R-410
• R-407
L’ R-410 è costituito da una miscela di:
R-32 ossia difluorometano (CH2F2)
ed R-125 ossia pentafluoroetano (C2HF5)
L’ R-407 è costituito da una miscela di:
R-32 ossia difluorometano (CH2F2)
R-125 ossia pentafluoroetano (C2HF5)
R-134 ossia tetrafluoroetano (C2H2F4)
PROPRIETA’ FISICHE
REFRIGERANTE R-410A (ossia 50 % R-32 e 50% R-125)
t = - 10 °C
Ps = da 5,73 a 5,75 bara
t = + 50 °C
Ps = da 30,64 a 30,71 bara cpv = 0,574 Kcal/kg K
cpv = 0,252 Kcal/kg K
Il calore latente di vaporizzazione vale:
a – 10 °C
r = 55,68 Kcal/kg
a + 50 °C
r = 32,49 Kcal/kg
TOSSICITA’
I refrigeranti R410 e R407 sono lievemente tossici e possono
provocare irritazione per la pelle e per gli occhi se dispersi in
ambienti chiusi in concentrazione elevata: sono limiti di sicurezza
secondo EN 378 rispettivamente il 13,5 % e 8 % in volume.
PRINCIPIO DELLO SCAMBIO TERMICO
EVAPORATIVO
Se un liquido è investito da una corrente di aria in movimento, con
velocità di almeno 5 m/s, si nota che la superficie del liquido si
riscalda (o si raffredda) e tende a portarsi ad una temperatura di alcuni
gradi inferiore a quella della corrente d’aria. Tale temperatura è
chiamata temperatura a bulbo umido.
La temperatura a bulbo umido si misura su un termometro avente il
bulbo ed almeno parte dello stelo ricoperto da una garza imbevuta
d’acqua ed investito da aria alla velocità di almeno 5 m/s.
Quando la superficie del liquido investito da una corrente d’aria in
movimento si trova alla temperatura a bulbo umido tutto il calore
scambiato serve per provocare l’evaporazione del liquido.
La temperatura a bulbo umido coincide ai fini pratici nel caso
dell’aria con la temperatura di saturazione adiabatica, ossia la
temperatura alla quale si porta un certo quantitativo di aria se
viene umidificata fino alla saturazione senza apporto di calore
dall’esterno.
Interessa infine il contenuto energetico dell’aria (entalpia),
riferito ad 1 Kg di aria secca e ad una quantità variabile di y g di
acqua.
L’entalpia h dell’aria si esprime con la seguente formula:
h = 0,24 t + 595 y + 0,46 y⋅t
Kcal/kg
con t temperatura in °C,
y umidità specifica Kg di H2O/Kg aria.
Il diagramma ASHRAE si presenta nella forma seguente:
LE TORRI DI RAFFREDDAMENTO
Le torri in uso nell’edilizia sono
apparecchiature modulari di forma
parallelepipeda ed altezza di qualche
m
percorse
in
controcorrente
dall’acqua da raffreddare e dall’aria
atmosferica. Il movimento dell’aria è
generato tramite ventilatori. L’acqua
si raccoglie in una vasca alla base
dell’apparecchiatura.
Nei condensatori evaporativi il fluido frigorigeno è condensato
attraverso un radiatore bagnato da una corrente d’acqua in ricircolo
ed investito da una corrente d’aria mossa da un ventilatore.
SCHEMA APPARECCHI IDRONICI
TORRE EVAPORATIVA
CONDENSATORE EVAPORATIVO
TEORIA DI FUNZIONAMENTO
La quantità di calore ceduta dall’acqua all’aria si esprime, secondo la teoria di
Merkel, con la seguente relazione:
dQ = σ·da·V·(h0-h)
dove si è indicato con σ il coefficiente di scambio,
“da” indica l’area di scambio infinitesima per unità di volume della torre,
V è il volume utile della torre,
h0 è l’entalpia dell’aria satura alla temperatura dell’acqua,
h è l’entalpia dell’aria (alla temperatura dell’acqua).
La precedente relazione pone il calore scambiato nella superficie elementare
proporzionale alla differenza di entalpia tra l’aria satura alla temperatura t
dell’acqua e l’entalpia dell’aria. Tale differenza di entalpia è, secondo la teoria di
Merkel, la forza che muove il processo di evaporazione in una torre per una
fissata superficie di scambio.
Il processo elementare di scambio del calore dQ avviene alla temperatura
dell’acqua .
Indicata con L la portata di acqua, con G quella di aria si può scrivere:
Q = cp·L (t1−t2) = G ·(h2 −h1)
(1)
e l’equazione della superficie di scambio diventa:
t1 dt
KaV
=∫
t2 h − h
L
0
(2)
t1 = temperatura di ingresso dell’acqua in °F
t2 = temperatura di uscita dell’acqua in °F
K = σ/cp = coefficiente di Merkel in (lb2·°F)/(Btu·ft2·h)
a = area del pacco di scambio per volume unitario della torre ft2/ft3,
V = volume in ft3,
L = portata di acqua in lb/h,
h0, h = entalpie dell’aria satura alla temperatura dell’acqua ed entalpia
dell’aria in Btu/lb.
DIMENSIONAMENTO: valori di riferimento
Rapporto delle portate acqua aria:
L/G compreso tra 0,75 ÷ 1,5
Il coefficiente di scambio per le torri in controcorrente con ventilatore assiale
posto in alto, espresso in unità anglosassoni vale:
K≈2
PROBLEMATICHE PIU’ COMUNI DELLE TORRI
- Rumorosità elevata dell’ordine di 60 ÷ 70 db a 10 m;
- Possibilità di fenomeni di corrosione,
- Possibilità di perdite di acqua dai bacini delle torri.
B1
B2
A2
A1