Recuperatori di calore aria-aria: tecnologie e prestazioni

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1 Recuperatori di calore aria-aria: tecnologie e prestazioni Seminari Tecnici MCE MCE Milano - Milano 2006 Indice degli argomenti Gestione dell Energia Termica Fonti alternative e riciclabili Uso razionale dell energia Risparmio energetico Il recupero del calore Le origini del problema Definizioni Recupero del calore Aria-Aria Categorie di recuperatori aria-aria (Norma Eurovent 10/1) Tipologia di recuperatori aria-aria Applicazioni e condizioni di utilizzo Selezione delle prestazioni

2 Gestione dell Energia Termica Fonti alternative e riciclabili Sole Vento Energia idraulica Risorse geotermiche Maree Moto ondoso Trasformazione dei rifiuti Combustibili biotermici Nucleare Cogenerazione Gestione dell Energia Termica Uso razionale dell energia Rendimento della combustione Regolazione automatica della temperatura

3 Gestione dell Energia Termica Risparmio energetico Recupero del calore Isolamento degli edifici Il recupero del calore Continuando a ricircolare sempre nello stesso ambiente, l aria si carica di anidride carbonica e di agenti inquinanti; essa va ricambiata. Aria fresca di rinnovo, ossigenata, va presa dall esterno, trattata termicamente ed inviata nell ambiente. Si può contenere l incremento di costo energetico che ne deriva, con l impiego di un sistema che recuperi una grande parte del calore contenuto nella corrente d aria espulsa e lo trasferisca alla corrente di rinnovo.

4 Recuperatori di calore Aria-Aria I recuperatori di calore impiegati negli impianti di climatizzazione sono degli scambiatori che permettono il trasferimento di calore e/o umidità tra un flusso di aria di espulsione ed un flusso di aria di immissione, sotto l'azione di una differenza di temperatura (o di umidità). Gruppi di recupero di calore Si fa distinzione tra recuperatori e gruppi di recupero di calore; questi ultimi sono costituiti, oltre che dal recuperatore vero e proprio, da una serie di accessori quali filtri, dispositivi di preriscaldamento, serrande, apparecchiature di regolazione, assemblati in un cassone avente flange di raccordo alle canalizzazioni.

5 Il recupero del calore Rendimento Il rendimento di uno scambiatore di calore, secondo la norma ASHRAE Standard '84 è definito come rapporto tra l'energia o l'umidità effettivamente trasmesse ed i valori massimi trasmissibili η = W i (X iu -X ii ) / W min (X ei -X ii ) = W e (X ei -X eu ) / W min (X ei -X ii ) dove: η = efficienza (su calore sensibile, latente o totale) X ii = temperatura o umidità o entalpia ingresso immissione X iu = temperatura o umidità o entalpia uscita immissione X ei = temperatura o umidità o entalpia ingresso espulsione X eu = temperatura o umidità o entalpia ingresso espulsione W i = portata di immissione in peso W e = portata di espulsione in peso W min = la minore tra W i e W e In caso di efficienza di temperatura le portate andranno moltiplicate per il calore specifico. Il recupero del calore Perdita di carico Si definisce perdita di carico di un recuperatore la differenza di pressione totale, misurata su ciascuno dei due flussi, fra l ingresso e l uscita dal recuperatore. Questa perdita di carico dovrà essere compensata dalla prevalenza del ventilatore.

6 I due flussi che attraversano il recuperatore possono avere una diversa pressione. Questa differenza di pressione (pressione differenziale) influenza le fughe di portata dall'apparecchio. Inoltre, la struttura meccanica dell apparecchio deve essere adeguata a resistere alla deformazione generata dalla pressione differenziale. Il recupero del calore Pressione differenziale Il recupero del calore Calore trasferito Il calore trasferito è la quantità di calore sensibile (e/o latente) ceduto al flusso d'aria in ingresso (o sottratto, in regime estivo). L'umidità trasferita è la quantità di umidità ceduta al flusso d'aria in ingresso (o sottratta, in regime estivo).

7 Il recupero del calore Portata di fuga Interna La fuga interna è la portata d'aria che può passare da un lato all'altro di un recuperatore di calore. Esterna La fuga esterna è la portata d'aria che può attraversare il cassone di un recuperatore di calore da o verso l'ambiente circostante. Per trascinamento La fuga per trascinamento è la portata d'aria trasferita dal lato espulsione al lato immissione di un recuperatore rotante Recupero del calore Aria-Aria Da processo a processo Il calore catturato dalla corrente espulsa di un processo è trasferito nella corrente di rinnovo dello stesso processo. Il sistema lavora, generalmente ad alta temperatura. Da processo a comfort Il calore catturato dalla corrente espulsa di un processo è trasferito nella corrente d aria di rinnovo che presiede al controllo del comfort di un edificio. Da comfort a comfort Nel processo che presiede al controllo del comfort di un edificio, il calore catturato dalla corrente d aria espulsa è trasferito nella corrente d aria di rinnovo.

8 Categorie di recuperatori aria-aria (Norma Eurovent 10/1) Categoria I Scambiatori statici a scambio diretto Ia con parete di separazione Ib con parete porosa di separazione Categoria II Scambiatori statici a scambio indiretto IIa senza cambiamento di fase IIb con cambiamento di fase Categoria III Scambiatori rotanti a scambio diretto IIIa non igroscopico IIIb igroscopico Tipologie di recuperatori aria-aria Recuperatori statici a piastre Recuperatori rotativi Recuperatori a batterie con pompa (run around) Recuperatori a tubi di calore (heat pipe) Recuperatori a torri gemelle

9 Recuperatori statici a piastre I.a I recuperatori di categoria I.a hanno la possibilità di recuperare il calore sensibile ed anche quello latente. Infatti, quando le pareti dello scambiatore sono più fredde della temperatura di rugiada dell aria estratta, il vapore in essa contenuto condensa ed il calore di condensazione viene trasferito all aria di rinnovo. In caso di condensazione è opportuno che le alette siano disposte verticalmente. Recuperatori statici a piastre Funzionamento Normalmente il movimento dell'aria avviene a flusso incrociato ed il rendimento ha valori compresi tra il 40 ed il 70% Sono disponibili anche modelli a flusso controcorrente con rendimenti che vanno oltre l'80% a fronte di un relativo maggior costo dell unità.

10 Recuperatori statici a piastre Costruzione Sono costituiti da strati piani, con spaziature variabili a seconda del tipo di impiego. I flussi di espulsione e di immissione vengono mantenuti separati da apposite sigillature. Il calore è trasferito direttamente dal flusso a temperatura più calda a quello a temperatura più fredda. La resistenza globale al passaggio di calore del recuperatore risulta composta da convezione su entrambe le facce della piastra e da conduzione attraverso lo spessore della piastra. Poiché i coefficienti convettivi risultano molto più piccoli, rispetto alla conducibilità termica delle piastre, ne consegue che l efficienza dello scambio termico non è sostanzialmente influenzata dallo spessore e dal materiale con cui e realizzato il recuperatore. Recuperatori statici a piastre Materiali Il materiale con cui le piastre vengono comunemente realizzate è l'alluminio per le sue caratteristiche di resistenza alla corrosione, facilità di realizzazione, ininfiammabilità e durata. In ambienti più corrosivi l alluminio può essere protetto con una vernice acrilica. In presenza di alte temperature (oltre i 200 C) e dove il costo non rappresenti un fattore chiave vengono impiegate leghe di acciaio inox. Per esigenze di bassi costi uniti a resistenza alla corrosione si impiegano materiali plastici od anche vetro.

11 Recuperatori statici a piastre categoria I.b Particolari sono i recuperatori a flussi incrociati della categoria I.b. La particolarità risiede nel tipo di costruzione del pacco di scambio, costituito dalla sovrapposizione di vari strati di speciale carta trattata, ondulata, permeabile all umidità, che consente lo scambio simultaneo di calore sensibile e latente. Queste apparecchiature presentano elevate prestazioni in termini di efficienza di scambio ma, essendo il diaframma in carta porosa, si presenta il problema delle perdite per trafilamento del flusso di aria viziata espulsa verso quello dell aria di ventilazione. Recuperatori statici a piastre Regolazione In molti casi, nello spazio ventilato sono presenti altre sorgenti di calore (persone, macchinari, illuminazione, ecc.) le quali apportano una quantità di calore supplementare al sistema. In certe condizioni si può generare un surriscaldamento In queste condizioni la potenza del recuperatore deve essere ridotta. Nei recuperatori a piastre si usa una serranda di bypass che esclude dal trattamento di recupero una parte o tutta l aria esterna. Questa metodo di riduzione della portata, tramite la serranda di bypass, si impiega anche in caso di rischio di brina nel periodo invernale.

12 Recuperatori statici a piastre Pulizia In presenza di polvere o di sostanze inquinanti è necessario prevedere dei filtri adeguati a monte del recuperatore. Sulla superfici delle alette dei recuperatori si possono formare dei depositi di polvere e grassi; in tal caso tali depositi possono essere facilmente rimossi nei seguenti modi: - con aria compressa, nel caso di deposito di polveri - con acqua calda o spruzzando con una soluzione detergente ( es: Decade, ND-150, Chem Zyme, Primasept, Poly-Det, Oakite 86M o similari) nel caso di depositi grassi. Soluzioni fortemente alcaline o altre sostanze aggressive per l alluminio sono ovviamente da evitare. Recuperatori statici a piastre Pregi e Difetti Pregi scarsa o assente contaminazione tra i flussi non hanno parti in movimento flessibilità di costruzione che li adatta ad ogni impiego prodotti con materiali adeguati alle caratteristiche di diversi ambienti basse cadute di pressione facile pulizia azione efficace per lo smorzamento dei rumori Difetti Il trasferimento di calore latente avviene solo a condizione che la temperatura della superficie del recuperatore scenda sotto il punto di rugiada di una delle due correnti d aria, condensandone l umidità presente. I due flussi d aria, di espulsione e di rinnovo, devono essere contigui

13 Esempio Un recuperatore a piastre di efficienza ε = 60 % è attraversato da una portata di immissione Q i = 3000 m 3 /h che si trova nelle condizioni t ii = 5 C e ϕ ii = 60 % e da una portata di estrazione Q e = 3000 m 3 /h di aria ambiente che si trova nelle condizioni t ei = 20 C e ϕ ei = 50 %. Determinare le condizioni di uscita dal recuperatore delle due correnti e la potenza scambiata. eu ii RECUPERATORE ei iu Esempio P SENS,MAX = Q i ρ i c Pi (t ei -t ii ) = 15,16 kw P SENS,REALE = P SENS,MAX ε = 9,1 kw t iu = t ii + P SENS,REALE / (Q i ρ i ) = 13,5 C t eu = t ei -P SENS,REALE / (Q e ρ e )= 11 C Occorre verificare che la temperatura t eu sia maggiore della temperatura di rugiada della corrente di immissione all ingresso del recuperatore poiché altrimenti si avrebbe la deumidificazione della corrente di espulsione ed un ulteriore contributo alla potenza termica scambiata dato dalla potenza latente di condensazione (occorrerebbe rivedere il calcolo sostituendo le entalpie alle temperature per la corrente di espulsione). In questo caso è: t rugiada,ii = 9,6 C < t eu e quindi non si ha condensazione.

14 10,0 5 0,2 2,5-1,0 R ASHRAE PSYCHROMETRIC CHART NO.1 NORMAL TEMPERATURE BAROMETRIC PRESSURE: 101,325 kpa Copyright 1992 AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING AND AIR-CONDITIONING ENGINEERS, INC. 5,0 SEA LEVEL ,8 0,7 0,6 0,5 0,4 SENSIBLE HEAT TOTAL HEAT Qs Qt -2,0 - -4,0 1,5 2,0 4,0 0,0 - -5,0-2,0 R Esempio WET BULB TEMPERATURE - C 120 0, ,0 0,3-0,5 1,0 24-0,2 0, ,0 2,0 22 0,92 ENTHALPY HUMIDITY RATIO h W , ii ENTHALPY - KJ PER KILOGRAM OF DRY AIR 5 0,80 10 eu 10 SATURATION TEMPERATURE - C iu 15 0,82 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% ,84 ei 10% RELATIVE HUMIDITY 20 0,86 VOLUME - CUBIC METER PER KG DRY AIR 0,88 0, DRY BULB TEMPERATURE - C HUMIDITY RATIO - GRAMS MOISTURE PER KILOGRAM DRY AIR Recuperatori rotativi III.a e III.b I recuperatori di calore rotativi sono costituiti da un rotore cilindrico costruito in modo da risultare permeabile all'aria, caratterizzato da un elevatissimo sviluppo superficiale; l'aria di rinnovo e quella di espulsione attraversano ciascuna una metà dello scambiatore, fluendo in controcorrente

15 Recuperatori rotativi Funzionamento Lo scambio termico in questi recuperatori avviene per accumulo: mentre il cilindro ruota lentamente l'aria espulsa attraversa una metà dell'involucro e cede calore alla matrice del rotore che lo accumula. L'aria di rinnovo, che attraversa l'altra metà, assorbe il calore accumulato. Proseguendo la rotazione le parti che assorbono e cedono calore si invertono continuamente, ed il processo può continuare in maniera indefinita. In regime estivo è l'aria esterna ad essere raffreddata e deumidificata; in regime invernale l'aria entrante, fredda e secca, assorbe calore dal rotore ed eventualmente umidità, negli apparecchi predisposti con superfici igroscopiche. Recuperatori rotativi Settore di pulizia Vi è la possibilità di contaminazione tra i due flussi d'aria per trascinamento. L aria che resta intrappolata all'interno dei canali viene ceduta all'altro flusso a causa della rotazione. Per eliminare ciò il recuperatore viene dotato di un settore di pulizia. Il settore di pulizia è posizionato a valle del rotore, nel punto in cui il rotore passa dalla parte dell'espulsione a quella di immissione. In questo modo, una piccola quantità dell'aria di immissione sarà trasferita nei canali dell aria di espulsione permettendone la pulizia.

16 Recuperatori rotativi Regolazione Per escludere il surriscaldamento, soprattutto nelle stagioni intermedie (primavera e autunno), viene effettuato un controllo sulla temperatura di mandata, in funzione delle esigenze dell'impianto, tramite una regolazione della velocità di rotazione. Viene utilizzato un motore di trascinamento a velocità variabile ed è così possibile modulare il rendimento tra un valore minimo ed uno massimo. La quantità di calore recuperato aumenta all'aumentare della velocità di rotazione. Solitamente, quindi, la velocità di rotazione del recuperatore viene asservita alla temperatura richiesta. Recuperatori rotativi Pregi e Difetti Pregi La superficie di scambio, molto elevata in rapporto al volume, consente delle rese più alte di altre tipologie di recuperatori. L'efficienza elevata e la possibilità di recupero dell'umidità oltre che del calore consentono di ridurre in modo determinante la potenzialità installata in un impianto. La possibilità di recuperare umidità consente di ridurre i dispositivi di umidificazione. Difetti Contaminazione tra i due flussi per trascinamento e per trafilamento Nel trascinamento l'aria che resta intrappolata all'interno del volume può essere ceduta all'altro flusso. Applicazioni critiche, quali ospedali, sale operatorie, camere bianche richiedono un controllo rigoroso dei flussi di trascinamento per prevenire qualunque pericolo di contaminazione.

17 Recuperatori a batterie con pompa II.a In un circuito ad anello chiuso, un fluido intermedio, per mezzo di una pompa, viene fatto circolare tra due o più scambiatori statici a batterie di tubi alettati. Il calore ceduto dalla corrente d aria più calda ad una batteria, viene trasportato dal fluido intermedio all altra batteria e da questa ceduto alla corrente più fredda. Il fluido intermedio, in dipendenza dalla temperatura di lavoro, può essere acqua, miscela anticongelante o fluido diatermico. Analogamente ad altri sistemi di recupero di calore aria/aria recuperano principalmente calore sensibile; eventuale calore latente, recuperato dalla condensazione della corrente d aria più calda, viene trasformato in calore sensibile e si aggiunge a quello trasmesso alla corrente più fredda. Non sono possibili recuperi di umidità. Recuperatori a batterie con pompa Impieghi tipici La separazione fisica completa tra i due flussi e la conseguente esclusione di qualunque pericolo di contaminazione rendono questi sistemi adatti ad impieghi quali: ospedali, sale operatorie, camere bianche, laboratori, lavorazioni industriali particolari.

18 Recuperatori a batterie con pompa Pregi e Difetti Pregi L'alto grado di flessibilità che contraddistingue questi dispositivi di recupero di calore li rende idonei all'impiego in applicazioni industriali e su impianti già esistenti. Questo sistema rende infatti possibile il recupero di calore da più fonti distanziate una dall'altra ed inoltre non vi è la necessità di ubicare vicine tra loro la presa dell'aria di immissione e lo scarico dell'aria di espulsione. Esclusione assoluta di pericolo di contaminazione tra i due flussi. Difetti La presenza di un fluido intermedio deprime il rendimento del sistema che difficilmente supera il 55%. Accorgimenti per incrementare il rendimento porterebbero i costi al di là dei limiti di convenienza economica. Recuperatori a tubi di calore II.b Sono costituiti da uno scambiatore a tubi alettati diviso in due sezioni: una percorsa dall'area di immissione, l'altra dall'aria espulsa. I tubi sono riempiti per una certa frazione del volume interno con un fluido allo stato liquido. La rimanente porzione è occupata dallo stesso fluido allo stato gassoso.

19 Recuperatori a tubi di calore Funzionamento In condizioni invernali l'aria calda espulsa che attraversa la sezione inferiore, cede calore al liquido che bagna la superficie interna del tubo, provocandone l'evaporazione. Il vapore prodotto sale nella sezione superiore e qui condensa sulla superficie del tubo, raffreddata dall'aria di immissione, alla quale cede calore. Il liquido formatosi ritorna nella sezione inferiore per gravità, concludendo il ciclo. Per la strutturazione intrinseca di questo sistema, il flusso più caldo deve sempre attraversare la parte più bassa del recuperatore. Per ottenere l'inversione del ciclo, passando dal funzionamento invernale a quello estivo (o viceversa), sarà sufficiente invertire l'inclinazione del recuperatore. Recuperatori a tubi di calore Pregi e Difetti Pregi Non vi sono parti in movimento Non vi sono pericoli di contaminazione tra i due flussi Disponibili in varie dimensioni Difetti Poca flessibilità nell'installazione. Per regolare la prestazione di questi recuperatori viene variata l inclinazione dei tubi. Solitamente questi recuperatori vengono montati su supporti che permettono quest'operazione. Questa regolazione è piuttosto complicata.

20 Gruppi di recupero di calore con ciclo frigorifero Un gruppo di recupero particolarmente efficiente impiega un recuperatore tra i due flussi di temperatura, calda e fredda, di un circuito frigorifero Recuperatori a torri gemelle II.b Si tratta di un sistema di recupero dell'entalpia arialiquido-aria in cui un liquido assorbente circola continuamente venendo in contatto sia con il flusso di ingresso che con quello di espulsione, circolanti all'interno del riempimento, in scambiatori costruttivamente simili a delle torri evaporative. Questo liquido trasporta vapore acqueo e calore. Il liquido in circolo è in genere costituito da un sale alogeno in soluzione acquosa (es.: cloruro di litio). Una pompa mantiene in circolazione il liquido fra le due torri.

21 Recuperatori a torri gemelle Funzionamento Questo sistema consiste di una torre che tratta l aria di rinnovo e di un altra che tratta l aria espulsa di un edificio. Un liquido assorbente circola continuamente tra le due torri ed entra in contatto diretto con la corrente di rinnovo e con quella espulsa. Esso trasporta, pertanto, umidità e calore tra le due correnti. Durante l estate, la corrente di rinnovo viene raffreddata e deumidificata. Durante l inverno essa viene riscaldata ed umidificata. Esempio Un locale pubblico da 100 m², in cui sia consentito fumare Numero di persone ammesse nel locale: 70 Portata d aria per persona: 36 m³/h m³/h di ricambio supplementare Immissione: 144 x 70 = m³/h Estrazione : m³/h; leggermente superiore per generare la depressione richiesta dalla legge. Valutiamo il risparmio ed il ritorno dell investimento con un recuperatore a piastre con rendimento del 50% e con uno di rendimento del 60%

22 Progetto Recuperatore a piastre Scelte Recuperatori a piastre

23 Recuperatore scelto Apporto di calore ad un ambiente (Cpa * Gst * Qar x TMv) (Cpa * Gst * Qae x TA) + Gente = DISP Qar / Qae = R TMv = TA / R + (DISP Gente) / Cpa x Gst x Qar Cpa calore specifico dell aria Gst peso specifico dell aria Qar portata d aria di rinnovo TMv temperatura dell aria immessa Qae portata d aria di espulsione TA temperatura dell ambiente Gente calore apportato da persone ed altre sorgenti DISP dispersioni di calore verso l esterno

24 Risparmio con uso del Recuperatore Temp

25 Pot Recuperatore con Rendimento 50%

26 Risp Recuperatore con Rendimento 60%

27 Temp 60% Pot 60%

28 Recuperatore con Rendimento 60% Risp 60%

29 Calcolo Recuperatori rotativi Calcolo Recuperatori a batterie con pompa

30 Calcolo Recuperatori a batterie con pompa Calcolo Recuperatori a batterie con pompa

31 Normative UNI 9953 (1993) Recuperatori di calore aria-aria negli impianti di condizionamento dell aria. Definizioni, classificazione, requisiti e prove. UNI EN 308 (1998) (Eurovent 10/1) Scambiatori di calore. Procedimenti di prova per stabilire le prestazioni dei recuperatori di calore aria/aria e aria/gas. ARI Standard 1060 (2005) Performance rating of air-to-air heat exchangers for energy recovery ventilation equipments. ANSI-ASHRAE Standard 84 (1991) Method of testing air-to-air heat exchangers. ASHRAE Terminology of Heating, Ventilation, Air Conditioning and Refrigeration, Second Edition, Normative UNI EN 308 Classifica i recuperatori di calore in base al principio di funzionamento (Statici Categoria I, Fluido Termovettore Categoria II, Rotativi Categoria III) Definisce l efficienza del recuperatore in base alla sola differenza di temperatura (o di umidità assoluta) senza tener conto delle portate di aria (η t = (t iu -t ii ) / (t ei -t ii )) Fornisce precise indicazioni in merito alle prove da condurre per determinare le portate di fuga interna, di fuga esterna e di trascinamento Indica i valori di portata d aria in corrispondenza dei quali occorre determinare le perdite di carico sui rami di immissione e di estrazione (5 casi)

32 Normative UNI EN 308 Per la determinazione dell efficienza del recuperatore fornisce i valori che devono assumere le portate di aria di immissione e di estrazione (7 casi) e le temperature delle due correnti (1 caso solo funzione del tipo di recuperatore) indicando una ulteriore condizione a causa della possibilità di condensazione del vapor acqueo Non fornisce indicazioni sui valori delle temperature di prova nel caso di funzionamento estivo I bilanci di potenza utilizzati come verifica della correttezza della prova sono valutati in riferimento alla sola potenza sensibile scambiata tra i due rami del recuperatore. Lo scostamento tra la potenza misurata lato immissione e la potenza misurata lato estrazione deve essere ±5 % Normative ARI Standard 1060 Indica tre categorie di scambiatori (Piastre, Rotativi, Tubi di calore) escludendo i recuperatori a batteria con pompa Definisce l efficienza del recuperatore in base alla differenza di temperatura (o di umidità assoluta) ed alla portata di aria (η t = W i (t iu -t ii ) / (W min (t ei -t ii ))) Indica una metodologia di prova per la determinazione delle portate di perdita complessiva Non prevede prove specifiche per la valutazione delle sole perdite di carico sui rami di immissione e di estrazione

33 Normative ARI Standard 1060 Per la determinazione dell efficienza del recuperatore fornisce i valori che devono assumere le portate di aria di immissione e di estrazione (4 casi) e le temperature delle due correnti (1 caso solo funzione della stagione) senza considerare la possibilità di recupero del calore di condensazione del vapore I bilanci di potenza utilizzati come verifica della correttezza della prova sono valutati in riferimento alla potenza sensibile o latente scambiata tra i due rami del recuperatore. Lo scostamento tra la potenza misurata lato immissione e la potenza misurata lato estrazione deve essere ±5 % nel caso di potenza sensibile e ± 7 % nel caso di potenza latente Recuperatori di calore aria-aria: processo di progettazione

34 Recuperatori di calore aria-aria: dati tipici e lista di controllo Recuperatori di calore aria-aria: dati tipici e lista di controllo