Università di Roma Tor Vergata

Transcript

1 Università di Roma Tor Vergata Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria Industriale Corso di: TERMOTECNICA 1 IMPIANTI DI RISCALDAMENTO AD ACQUA: GENERALITÀ E COMPONENTI Ing. G. Bovesecchi gianluigi.bovesecchi@gmail.com (7249) Anno Accademico

2 Impianti di riscaldamento ad acqua Sono gli impianti che mantengono determinate condizioni negli ambienti in presenza di un carico termico verso l esterno (cessione di calore verso l esterno). Vengono perciò utilizzati prevalentemente in inverno. Il riscaldamento può essere: diretto (stufe e camini); indiretto (il calore generato in una caldaia viene ceduto ad un fluido intermedio, acqua, vapore, o aria, che poi riscalda gli ambienti). La potenza termica che gli impianti devono fornire è pari alla somma dei carichi termici che sono: carico di dispersione, cioè la cessione di calore verso l esterno; carico di ventilazione, dovuto all aria esterna che si infiltra dall esterno, e che deve essere scaldata.

3 Impianti di riscaldamento ad acqua Se il riscaldamento è ottenuto per immissione di aria calda (caso degli impianti ad aria), il carico di ventilazione non è necessario perché è già soddisfatto dall impianto stesso. IMPIANTI AD ACQUA CALDA Vi è un circuito chiuso in cui l acqua dal generatore arriva tramite tubi ai corpi scaldanti. Ci sono diverse tipologie, corrispondenti a diverse modalità di circolazione dell acqua: impianto con circuito a due tubi, i tubi sono differenti per mandata e ritorno. Il vantaggio è che l acqua arriva alla massima temperatura a tutti i corpi scaldanti; lo svantaggio è il numero elevato di tubazioni e un difficile bilanciamento (i percorsi per i diversi corpi scaldanti possono essere molto differenti);

4 Impianti di riscaldamento ad acqua CS1 CS2 CS3 CS4 G Impianti a ritorno inverso: sono analoghi a quelli precedenti, i ritorni convergono su di un tubo sino allo scambiatore più distante, da cui parte il ritorno verso il generatore. Sono quasi automaticamente bilanciati, perché la lunghezza di tutti i tratti di mandata e ritorno è all incirca uguale, ma richiedono tre tubi. CS1 CS2 CS3 CS4 G

5 Impianti di riscaldamento ad acqua Quando l ultimo corpo scaldante è situato vicino al generatore, l impianto assume un altro aspetto, e si chiama ad anello. In tale caso non si ha più l inconveniente dei tre tubi. CS1 CS2 G CS4 CS3 Impianto ad un solo tubo, i corpi scaldanti sono in serie. Il vantaggio è che è semplice e poco costoso. Lo svantaggio è che i singoli corpi scaldanti non ricevono la stessa temperatura di mandata, e quindi vanno dimensionati in modo opportuno CS1 CS2 CS3 CS4 G

6 Impianti di riscaldamento ad acqua L impianto può anche essere realizzato come circuito parzialmente in parallelo ottenendo una temperatura più uniforme ma la superficie di scambio deve essere maggiorata perché la portata è inferiore. CS1 CS2 CS3 CS4 G

7 CALDAIE Sono principalmente a tubi di fumo. Dati caratteristici di una caldaia sono: potenza resa all acqua; potenza di combustione; contenuto d acqua; pressione di esercizio; dimensioni e peso. Il rendimento varia tra 0,7 (piccole caldaie a pieno carico) e 0,85 (grosse caldaie). Potenza resa all'acqua Rendimento = Potenza di combustione

8 Per legge la potenza delle caldaie per impianti di riscaldamento non deve essere superiore al carico termico, o meglio al coefficiente volumico per il volume lordo riscaldato per la differenza di temperatura tra esterno e interno (Te-Ti). Non si deve tener conto nel progetto dell acqua calda sanitaria se il carico è superiore a 58 kw. Se è inferiore l acqua calda può essere calcolata e inserita nel progetto separatamente. In tale ultimo caso la potenza resa all acqua risulta la somma del carico di riscaldamento e dell acqua sanitaria. Se la potenza è superiore a 350 kw si possono istallare 2 caldaie in parallelo, in modo da limitare le perdite a basso regime (basso carico). Le pressioni massime di esercizio sono di 4 5 atm per le caldaie in acciaio e 8 9 atm per quelle in ghisa.

9 CORPI SCALDANTI (RADIATORI O TERMOSIFONI) Sono degli scambiatori di calore con circolazione interna di acqua calda. La differenza di temperatura tra ingresso e uscita nel corpo scaldante è in genere scelta in 10 C, per ottimizzarne le prestazioni. Considerata la piccola differenza di temperatura tra ingresso e uscita dell acqua rispetto alla grande differenza tra temperatura dell acqua e dell aria (da C a 20 C), anziché la differenza di temperatura media logaritmica utilizzata in genere negli scambiatori di calore si può utilizzare la differenza tra la temperatura media aritmetica dell acqua tra ingresso e uscita, e la temperatura dell aria. Il flusso termico assume quindi la forma: Q = Ucs Acs (Tm,ac Ta )

10 Il flusso termico fornito dal corpo scaldante, dal lato del fluido caldo, cioè l acqua, vale: Q = mc (T T ) c.s. p,ac i,ac u,ac dove la differenza di temperatura è, come detto, circa 10 C. Il coefficiente di scambio globale vale: Uc.s. = 1 1 Z + R' p + hac ha con hac coefficiente di scambio convettivo dell acqua, in convezione forzata, e Z rapporto tra l area interna (lambita dall acqua) ed esterna (lambita dall aria) del corpo scaldante. ha è il coefficiente di scambio convettivo dell aria (in convezione naturale).

11 Una relazione che tiene conto che la resistenza termica maggiore tra quelle riportate a denominatore della formula precedente è quella dovuta alla convezione naturale dell aria, è la seguente : n Qc.s. = C (Tm,ac Ta ) dove n vale tra 1,25 e 1,30. e C è una costante specifica del corpo scaldante, fornita tra i dati del costruttore (tiene conto anche dell area effettiva di scambio). Il motivo dei valori dell esponente n sta nelle relazioni empiriche utilizzate per determinare hac: per la convezione naturale l esponente che si trova in tali relazioni varia tra 0,25 per il moto laminare e 0,33 per quello turbolento. Il moto dell aria che lambisce i corpi scaldanti nelle condizioni generali di utilizzo è praticamente sempre laminare.

12 I corpi scaldanti possono essere ad elementi o a piastre. Gli elementi sono modulari e possono essere in ghisa, alluminio o acciaio. Le piastre sono in alluminio o acciaio. Oltre ai dati di cui sopra (C e n) spesso può essere data la resa nominale Q RN, flusso termico quando (Tm,ac Ta ) = 60 C. In condizioni differenti si avrà: n T T Q cs = QRN mac a. 60

13 TUBAZIONI Sono in rame o acciaio (a volte in plastica). In rame si piegano più facilmente e si possono anche giuntare a freddo o a bassa temperatura. In acciaio costano meno, ma vanno saldate con fiamma ossiacetilenica. Sono inoltre più soggette a corrosione. Per il dimensionamento si utilizzano le formule viste per le perdite di carico concentrate e distribuite già viste. La velocità dell acqua si fa in modo che sia è compresa tra 0,3m/s (per trascinare l aria che si infiltra nei condotti sino ai punti previsti per lo spurgo) e 1,5 m/s (per evitare una rumorosità troppo elevata dell impianto).

14 VASO D ESPANSIONE serve ad evitare le sovra-pressioni nell impianto per effetto della dilatazione termica quando l acqua viene scaldata. Può essere di tipo aperto o chiuso.!

15 Se è aperto deve essere nella posizione più alta dell impianto. Deve avere un troppo pieno e spesso è inserito all interno di esso il condotto di alimentazione, con una valvola di chiusura collegata con un galleggiante. Se β è il coefficiente di dilatazione cubica e C il volume dell impianto, β C 80 C è il volume dell espansione dell acqua (ci si aspetta un riscaldamento da 10 C, minimo di temperatura, a 90 C, massimo). Per sicurezza il volume totale del vaso di espansione deve essere circa 3 volte questo valore. Una relazione empirica tra il volume del vaso di espansione e la potenza dell impianto è: V = 1, 5 Pi10 3 [l ] con Pi in kcal h

16 Tale relazione si ottiene considerando che il contenuto medio d acqua dell impianto è 15 l per ogni 1000 kcal/h, che la dilatazione da 10 C a 90 C è del 3,5%, e il volume del vaso è 3 volte il volume di dilatazione. Se è chiuso può essere posto in qualsiasi punto del circuito. È un volume che contiene un gas che si comprime quando aumenta la temperatura dell acqua. La pressione è pertanto variabile (tra quella idrostatica nel punto in cui è mandata l acqua più 3 m H2O per sicurezza) fino alla pressione massima tollerata dall organo più debole dell impianto (deve esserci quindi una valvola di sicurezza che si apre quando la pressione supera questo valore). Può essere di due tipi: con il gas separato dall acqua (vaso a membrana) o a contatto con l aria.

17 Vaso chiuso a membrana La pressione iniziale (pi) ed il volume del vaso (V) sono noti perché il vaso è già, fornito precaricato. Il gas utilizzato è in genere N2. La compressione del gas è isoterma per cui dall equazione dei gas perfetti: V f p f = Vi pi Essendo: V V f = β C 80

18 Dove C è la capacità dell impianto, sostituendo si ottiene: Vi pi = β C 80 V pf E quindi: β C 80 V= pi 1 pf Vaso chiuso senza membrana

19 V pa = V f p f = Vi pi 1 1 Vi V f = β C 80 = pav p i pf β C 80 V = 1 1 pa pi p f

20 POMPA questo componente è previsto solo per gli impianti a circolazione forzata. Sono di tipo centrifugo ad azionamento elettrico. Per ogni pompa esiste la curva caratteristica Δp = f ( m ac ), con parametro il numero di giri al minuto di rotazione n. Il rendimento della pompa è definito come: L eff Δp V Δp v m η= = = L L Ldisp Dove: v = volume specifico massico, Δp = prevalenza ed L = potenza. L eff è la potenza meccanica effettivamente resa all acqua

21 L dispè la potenza meccanica che la pompa ha disponibile (se il motore elettrico avesse rendimento unitario sarebbe la potenza elettrica consumata).

22 L impianto d altra parte possiede una sua curva caratteristica Δp = f ( m acq ) che ha un andamento all incirca parabolico (come visto precedentemente le perdite di carico dipendono dalla velocità, e quindi dalla portata, con un esponente che varia tra 1,75 e 2). Dall intersezione della curva caratteristica della pompa e di quella dell impianto si ha il punto di funzionamento. E meglio chiaramente che il punto di funzionamento si trovi in una zona del piano dove il rendimento è maggiore, e da tale considerazione si effettua la scelta della pompa sulla base della sua curva caratteristica, fornita insieme alla documentazione tecnica. Se nell impianto si vuole diminuire la portata, si può ad esempio chiudere parzialmente una valvola aumentano le perdite di carico. Pertanto il punto di funzionamento si sposta da A ad A.

23 Però così si aumenta la prevalenza (e quindi la potenza e l energia spesa). Anziché utilizzare le valvole di strozzamento è preferibile se è possibile ridurre il numero di giri della pompa ottenendo il nuovo punto di funzionamento A, in quanto ci si muove in zone a rendimento della pompa maggiore. Δp m

24 Δp A. A A m

25 Se l impianto è di dimensioni notevoli, e sono previste due pompe in parallelo, la diminuzione di portata si può ottenere chiudendo una delle due pompe. Generalmente nel circuito è istallata anche una pompa di riserva, in modo tale da poter effettuare, ad esempio, la manutenzione su una delle pompe mantenendo in esercizio l impianto.

26 SFIATI D ARIA Sono tratti del percorso in cui l aria contenuta nell acqua dell impianto e trascinata dalla corrente (se la velocità è maggiore di 0.3 m/s) si raccoglie per poter essere eliminata. Negli impianti a vaso di espansione aperto si fa in modo che l aria arrivi al vaso di espansione, dove è eliminata automaticamente. Negli impianti a vasi di espansione chiuso si mettono degli allargamenti delle tubazioni (bottiglie di sfiato) che permettono di far uscire l aria manualmente o automaticamente. In genere i corpi scaldanti hanno uno sfiato manuale sulla sommità.

27 CENTRALI TERMICHE sono i locali dove sono istallati gli impianti. Devono soddisfare a certi requisiti di dimensioni, isolamento termico delle pareti, posizione e ingresso/uscita rispetto all esterno e ventilazione del locale che dipendono sia dal tipo di combustibile che dalla potenza termica installata (secondo la normativa). SISTEMI DI SICUREZZA E CONTROLLO Esistono norme predisposte ad evitare la possibilità di ebollizione dell acqua, o, se l ebollizione avviene, a scaricare all esterno il vapore formatosi. Tali norme impongono l installazione di termostati o di valvole che regolano la pressione (pressostati).