EDILIZIA ZOOTECNICA SCUOLA DI SPECIALIZZAZIONE IN TECNOLOGIA E PATOLOGIA DELLE SPECIE AVICOLE, DEL CONIGLIO E DELLA SELVAGGINA

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1 UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II DIPARTIMENTO DIAGRARIA EDILIZIA ZOOTECNICA SCUOLA DI SPECIALIZZAZIONE IN TECNOLOGIA E PATOLOGIA DELLE SPECIE AVICOLE, DEL CONIGLIO E DELLA SELVAGGINA PROF.SSA STEFANIA PINDOZZI AGR/10 COSTRUZIONI RURALI E TERRITORIO AGROFORESTALE stefania.pindozzi@unina.it

2 BILANCIO TERMICO Ovaiole

3 Raffrescamento dei fabbricati 3 Le possibili soluzioni sono : raffrescare l aria di ventilazione con un pannello evaporativo; nebulizzare acqua nei canali di aerazione; raffrescare nebulizzando acqua direttamente nelle zone scoperte e sui tetti

4 Pannello evaporativo 4 I pannelli evaporativi possono funzionare in pressione o in depressione. Il sistema in pressione presenta il grosso vantaggio di poter essere combinato con la ventilazione naturale. Il vantaggio del sistema in depressione, è di una maggior uniformità di condizioni all interno. Infatti parte dell aria aspirata dai ventilatori è richiamata attraverso le imperfette tenute; ciò comporta che in prossimità dei ventilatori, quindi nel punto più lontano dai pannelli si otterrà una maggior portata che parzialmente compensa la maggior temperatura. Elevate uniformità si possono ottenere anche col sistema in pressione trasversale o canalizzato in tubi

5 I pannelli evaporativi orizzontali 5 I pannelli evaporativi orizzontali hanno una maggior durata in caso di impiego di acque un poco dure. Inoltre nel caso di pannelli verticali, esiste una certa pericolosità quando li si deve smontare per sostituire il materiale di riempimento. Per contro la distribuzione dell acqua nella disposizione orizzontale, è affidata agli ugelli che risultano quindi bisognosi di maggior manutenzione. Nei pannelli verticali lo scorrimento dell acqua avviene con sufficiente uniformità per altezze del pannello comprese tra 0,5m e 2,5 m

6 Pannello evaporativo 6 Si definisce un rendimento del pannello : η = raffrescamento dell' aria otenuto raffrescamento dell' aria otenibile I materiali di riempimento possono essere trucioli di legno, fibre sintetiche, carbone o argilla espansa. I pannelli in trucioli hanno uno spessore di circa 50mm (devono essere riempiti tanto da non poter più vedere attraverso di essi )

7 Pannello evaporativo 7 La velocità dell aria nei pannelli deve essere più bassa di 0.75 m/s. Per pannelli riempiti in trucioli di legno, la velocità massima dell aria deve essere minore di 0.75 m/s per montaggio verticale e minore di 1 m/s per montaggio orizzontale. Per pannelli riempiti con materie plastiche si raggiungono velocità di 1.25 m/s con montaggio verticale e spessore del pannello di 100 mm.

8 8 La tecnologia che sta alla base del sistema di evaporazione L acqua viene fatta circolare all interno del sistema per mezzo di una pompa. L acqua viene spinta nei tubi di distribuzione della parte superiore del sistema e poi viene spruzzata nel deflettore. L acqua defluisce giù attraverso la superficie corrugata del pannello evaporativo. Una parte evapora a causa del calore e dell aria secca che passa attraverso il pannello stesso. Il resto dell acqua provvede a bagnare tutto il pannello e viene poi fatta defluire nuovamente all interno della pompa attraverso la raccolta acqua nella parte sottostante del sistema. Il calore che serve all evaporazione dell acqua viene assorbito dall aria stessa. Quindi l aria che passa attraverso il pannello si sarà allo stesso tempo raffreddata e umidificata, senza per altro alcuna aggiunta di energia esterna, ma come conseguenza del processo di evaporazione. Questo è un sistema naturale di raffreddamento.

9 L aria umida e l uso del diagramma 9 psicrometrico La climatizzazione dell aria prevede una serie di trattamenti che hanno come fine quello di ottenere nell ambiente climatizzato condizioni ottimali di temperatura ed umidità. Tali trattamenti fanno riferimento ad aria che, nelle applicazioni tipiche del condizionamento, può essere considerata come una miscela binaria di gas perfetti: aria secca e vapor d acqua.

10 TERMODINAMICA DELL ARIA UMIDA 10 Al campo della psicrometria appartiene lo studio delle miscele di aria secca e vapor d acqua e delle relative trasformazioni. Tale studio risulta fondamentale al fine di garantire condizioni di benessere in ambienti climatizzati

11 TERMODINAMICA DELL ARIA UMIDA 11 L aria umida è una miscela di due gas perfetti: un aeriforme, l aria secca, e un componente condensabile, cioè il vapor d acqua, il cui contenuto varia in funzione delle condizioni ambientali. L aria secca è a sua volta una miscela di altri gas che nelle trasformazioni del condizionamento ambientale mantengono un rapporto di concentrazione costante. Per caratterizzare lo stato dell aria umida si considerano varie grandezze, fra cui il titolo, il grado igrometrico, l entalpia.

12 Il diagramma psicrometrico 12 Il diagramma psicrometrico viene utilizzato ai fini del calcolo delle trasformazioni subite dalle miscele d aria e vapor d acqua ed è riferito alla pressione atmosferica standard (circa 1,013 bar). Lo stato fisico di una miscela (temperatura, umidità, entalpia) viene rilevato sul diagramma noti due qualsiasi parametri

13 Le trasformazioni dell aria umida vengono studiate e rappresentate sul diagramma psicrometrico: 13 Su tale diagramma abbiamo la possibilità di individuare tutte le grandezze termoigrometriche dell aria da trattare: Temperatura a bulbo secco; Umidità specifica; Umidità relativa; Temperatura a bulbo umido; Temperatura di rugiada. Entalpia; Volume specifico;

14 Umidità assoluta o Titolo x 14 Per sapere in che proporzione il vapor d acqua è contenuto nella massa dell aria secca si fa riferimento al titolo della miscela (o umidità assoluta) indicato generalmente con x : TITOLO x = (massa di vapore / massa di aria secca) x = m v / m a Il titolo della miscela è riferito ad 1 m³di miscela; Nelle trasformazioni la composizione dell aria secca rimane invariata e quindi con massa costante Il quantitativo corrispondente di vapor d acqua varia pertanto non solo la composizione della miscela ma anche tutte le altre proprietà fisiche sono riferite alla unità di massa d aria secca.

15 Umidità relativa 15 La massa totale m della miscela sarà: m = m v + m a Il titolo della miscela non viene però utilizzato per esprimere le condizioni di benessere di un ambiente, che vengono invece riferite all umidità relativa (UR) o grado igrometrico ϕ definito dal rapporto: UR = ϕ = m v / m s dove : m v = massa di vapor d acqua m s = massa del vapor d acqua che satura il volume alle stesse condizioni di pressione e temperatura

16 Umidità 16 Nel tubo dell esperimento di Torricelli una goccia d acqua SENZA ARIA fa abbassare, dopo il tempo di evaporazione, la colonnina di mercurio del tot corrispondente alla pressione dovuta al peso del vapor acqueo, detta Pressione o Tensione di vapore. stefania.pindozzi@unina.it 08 Ottobre -20 Dicembre 2012

17 Umidità 17 Si raggiunge la pressione detta di tensione di saturazione o di vapor saturo aggiungendo altra acqua fino al limite di pressione oltre il quale si crea equilibrio tra condensa sulle superfici del tubo e evaporazione Tensione di vapore segue legge dei GAS(PV=nRT) Tensione di saturazione dipende direttamente solo dalla T (la quantità d acqua allo stato di vapore per unità di volume d aria è maggiore a temperature maggiori) stefania.pindozzi@unina.it 08 Ottobre -20 Dicembre 2012

18 Umidità assoluta e relativa 18 Si definisce Umidità Assoluta il peso di vapor d acqua nell unità di volume d aria: UA=Pv/V (kg/m 3 ) Si definisce Umidità Relativa (o grado igrometrico) il rapporto tra tensione di vapore nell aria (e d ) e la tensione di saturazione a una data T (e s ) : UR=(e d / e s ) *100 (%) È evidente che l umidità relativa non possa mai superare il 100% Fattore di evaporazione : D=e s -e d (Pa) stefania.pindozzi@unina.it 08 Ottobre -20 Dicembre 2012

19 19 Misura umidità relativa Lo strumento di misura più semplice e diffuso è l igrometro a capelli, accoppiato ad un termografo che sfrutta, come principio di trasduzione, la capacità di allungarsi o accorciarsi dei capelli umani (oggi si preferiscono però materiali sintetici a loro simili) ed è solitamente accoppiato ad un termografo bimetallico. stefania.pindozzi@unina.it 08 Ottobre -20 Dicembre 2012

20 20 Funzionamento meccanico dell igrometro a capello stefania.pindozzi@unina.it 08 Ottobre -20 Dicembre 2012

21 Misura umidità relativa 21 Un altro strumento è lo psicrometro,utilizzato normalmente negli ambienti chiusi; esso consta essenzialmente di due termometri, entrambi costantemente aerati con un piccolo ventilatore: uno semplice per la misura della temperatura dell aria (termometro a bulbo asciutto) uno ricoperto di un sottile strato di garza bagnata con acqua distillata (termometro a bulbo bagnato). stefania.pindozzi@unina.it 08 Ottobre -20 Dicembre 2012

22 Termometro bulbo umido Ottobre -20 Dicembre 2012

23 Misura umidità relativa 23 La temperatura riportata da quest ultimo, cui è sottratto calore per evaporazione (calore latente), è ovviamente minore. Dalla differenza fra i due strumenti, è possibile risalire all umidità relativa attraverso una costante, tabellatadalla ditta costruttrice dell apparecchio. Ad esempio se l aria è satura di vapore (e d =e s ) non vi sarà evaporazione e la differenza di temperatura tra i due termometri è zero, di conseguenza UR=100% stefania.pindozzi@unina.it 08 Ottobre -20 Dicembre 2012

24 Termoigrografo Ottobre -20 Dicembre 2012

25 Cos è L ENTALPIA 25 L entalpia o contenuto termico totaledi un sistema, è una funzione di stato. Con essa si tiene conto oltre che dell'energia delle particelle che costituiscono il sistema materiale anche dell'energia determinata dalla pressione e dal volume del sistema stesso, la quale viene espressa tramite il prodotto PV che ha le dimensioni di un lavoro (energia). Per le nostre applicazioni ci interessa l entalpia come somma dell energia interna dell aria e del vapore L'entalpia si misura in joule, nel Sistema internazionale, oppure in calorie. A causa del fatto che non è possibile conoscere il valore assoluto dell'energia interna di un sistema o di una sostanza, si può misurare solo la variazione di entalpia, H, durante una determinata trasformazione e non il suo valore assoluto.

26 Entalpia 26 L entalpia di 1 kg di aria secca alla temperatura T (ha) è pari al calore necessario per portare 1 kg di aria secca da 0 C a T C: h a = c pa T dove c pa = 1,005 kj/kg K è il calore specifico a pressione costante dell aria secca. L entalpiadel vapore sarà la somma del calore necessario a vaporizzare una certa quantità di acqua alla temperatura di 0 C e del calore necessario a portare tale vapore alla temperatura T: h v = x λ + x c pv t dove c pv = 1,875 kj/kg K è il calore specifico a pressione costante del vapor d acqua ed λ = 2501 kj/kg è il calore latente di vaporizzazione dell acqua a 0 C.

27 Ulteriori parametri 27 Ulteriori parametri molto importanti nella psicrometria sono: la temperatura di rugiada: per l aria umida in un determinato stato fisico è definita come la temperatura alla quale si raggiunge la condizione di saturazione attraverso un processo di raffreddamento isobaro a titolo costante; la temperatura di bulbo bagnato (o bulbo umido): definita come la temperatura cui si porta l acqua in condizioni di equilibrio di scambio di calore convettivo e di massa con aria in moto fortemente turbolento. Si misura con un termometro (schermato da ogni effetto radiante) il cui elemento sensibile è mantenuto bagnato da acqua (come avviene nello psicrometro).

28 Calore Sensibile 28 Ilcalore sensibile è quell'energiache, quando viene somministrata ad un corpo, provoca un aumento della sua temperatura. L aggettivo sensibile è dovuto al fatto che tale calore si manifesta, cioè è possibile apprezzarlo, proprio attraverso l aumento della temperatura che esso provoca.

29 Calore latente 29 Il calore latente è quell'energia che, quando viene somministrata ad un corpo, ne provoca il suo cambiamento di stato, a temperatura costante. A seconda del cambiamento di stato, si distingue tra calore latente di fusione/solidificazione e calore latente di vaporizzazione/condensazione. In questo caso l effetto provocato dal calore non consiste in un aumento della temperatura, ma in una trasformazione dello stato fisico della materia.

30 30 Esempio Raffrescamento ovaiole

31 31 4 piani *2 livelli

32 Batterie 32 Supponiamo che nel capannone vi siano: 4 batterie da 78 m di lunghezza larghe 1.2 m per 8 piani (4+4) : 8*4*78*1.2=2995 m² Ogni capo 750 cm² pari a creature/m² 2995/0.075= capi Circa capi accasabili (N)

33 Capannone 33 Capannone è largo 10 m e lungo 85 m con una superficie in pianta di 850 m² L altezza alla gronda del capannone sia di 6 m Il volume, (trascurando il colmo che per altro è occupato dagli impianti e meglio sarebbe se controsoffittato) è di 850 x 6= 5100 m³

34 Condizioni esterne estive 34 La temperatura esterna massima di progetto e la corrispondente UR% siano: T e = 32 C UR e %= 40% Le condizioni di ventilazione dell aria immessa siano T i = 25 C UR i = 75%

35 Condizioni esterne 35 T est 32 C UR est 40% h est Entalpia Est 15 kcal/kg X est Contenuto di Vapore 12 g/kg v est Volume specifico 0.88 m³/kg

36 Condizioni di ventilazione 36 T int 25 C UR int 80% h int EntalpiaEst 15.7 kcal/kg X int Contenuto di Vapore 15.8 g/kg v int Volume specifico m³/kg

37 37 La portata d aria di ventilazione si misura in m³ Ogni m³ d aria pesa 1/0,88 =1.136 kg/m³ l aria esterna arriva con X est = 12 g/kg e deve passare a X int = 15.8 g/kg aggiungendo quindi 3,8 g/kg di aria ovvero 3.8*1.136= 4.32 g acqua a m³ di aria immessa. L acqua l aggiungo col pannello evaporativo riempito di trucioli o con gli sprinkler

38 Scelta del sistema di raffrescamento 38 Se immaginiamo di usare i pannelli dobbiamo immaginare un coefficiente di bypass. Se immaginiamo gli sprinkler dobbiamo immaginare di regolarne la portata.

39 39 Immaginiamo i pannelli con efficienza 90%

40 Determinazione dei ricambi d aria 40 Il calore che serve all evaporazione dell acqua viene assorbito dall aria stessa. Quindi l aria che passa attraverso il pannello si sarà allo stesso tempo raffreddata e umidificata, senza per altro alcuna aggiunta di energia esterna. Si conserva l entalpiatotale. Se andassimo senza bypass, l aria di ricambio, che all esterno ha X est = 12 g/kg, entrerebbe con UR=90% t= 23 e X pannello = 15.5 Con la miscela ci possiamo solo posizionare su un punto con entalpiae=15. Per mantenere 25 C la quantità di acqua x miscela = 14.9 La percentuale di aria che deve attraversare il pannello sarà (100/(15,5-12)*(14,9-12) = 83 %

41 41 In buona sostanza si devono regolare le aperture in modo che il 18% della portata baypassii pannelli evaporativi. A questo penserà automaticamente la centralina, ma deve essere ben chiaro che la miscela che entra è 25 C, UR75%. Se fuori la temperatura fosse più alta, per esempio 40% 35 C, potremmo al più a 25 C UR=90% o a 80% 27 C. Poiché all interno c è la respirazione, devo accontentarmi di 27 C e la produzione la farò la sera o il giorno dopo

42 Condizioni di ventilazione 42 T imissione 25 C UR immissione 75% h miscela Entalpia Miscela 15 kcal/kg X miscela Contenuto di Vapore 14.5 g/kg v miscela Volume specifico 0.86 m³/kg

43 43 Produzione di calore totale per animale (W) Secondo la CIGR la produzione totale di calore per le galline ovaiole è data dalle seguenti equazioni: Φ 7.0. Esistono molte altre formule, ma per lo scopo questa può essere considerata sufficientemente attendibile

44 Produzione di calore totale per 44 animale Per un peso corporeo di 1,5 kg si ha una produzione di calore totale diφ =9.5 W per un capo La produzione totale di calore deve essere poi corretta in base alla temperatura cui è sottoposto il capo (circa 30 C nel nostro esempio) con la seguente: = 0.96 Φ = 9.5*0.96=9.11 W per un capo a 30 C

45 Proporzione tra calore sensibile e 45 latente Il calore totale degli animali è costituito da calore latente e sensibile. La proporzione dipende dalle condizioni di temperatura nella struttura. Ad una determinata temperatura il calore sensibile della struttura è dato da: Φ Φ Nell esempio T=30 C e quindi Φ 2.97 W/capo Il calore latente sarà il totale meno il sensibile Φ = Φ Φ = =6.13W/capo

46 Calcolo della potenza totale prodotta (Φ ) nel ricovero e della portata di vapore (Q vap ) prodotta dagli animali 46 Nell allevamento sono previsti capi e quindi Φ = Φ N 364 kw Φ = Φ N =119 kw Φ = Φ N =245 kw Il calore per evaporare l acqua (calore latente) è pari a Φ 23 =2.5*10 6 J/kg acqua Conseguentemente l acqua prodotta dagli animali è 4 56 = :;<=: A B C D EF:;<=: =98 g/s

47 47 L aria di ricambio entra a T imissione =25 C; UR immissione = 75%; h miscela =15 kcal/kg; X miscela =14.5 g/kg; v miscela = 0.86 m³/kg e vogliamo che esca a non più di T uscita =30 C; UR uscita = 75%; h uscita =19.5 kcal/kg; X uscita =22 g/kg; v uscita = 0.89 m³/kg Possiamo far acquisire all aria al massimo 4,5 (19,5-15) kcal/kg pari a 4,5*4186 =18837 J/kg prima di farla uscire dal ricovero. Questa energia è data dal calore totale e dal calore trasmesso dal tetto e dalle tamponature. Trascuriamo quest ultimo in prima approssimazione

48 48 La potenza termica degli animali nel ricovero è 364 kw pari a J/s Ogni kg di aria che entra e che quindi esce asporta J/kg Devono transitare /18837=19 kg/s Poiché il volume specifico è 0.89 m³/kg si avrà 19*0.89=17.21 m³/s Il fronte delle batterie è circa 80*5=400 m² La velocità dell aria è dell ordine di m/s che è verosimile in un pollaio (non si deve spegnere una candela)

49 49 i 98 g/s di vapore dovrebbero essere asportati dall aria Ogni kg di aria nelle condizioni ipotizzate entra con 14.5 g/kg ed esce con 22 g/kg asportando 7,5 g/kg. Un m³ di aria asporta 7,5 *0.89 =6.67 gacqua/m³di aria 17.2 m³/s asportano 17.2*6.67= 115 g/s Poiché si devono asportare solo 98 g/s la portata può essere ridotta oppure possiamo aspettarci una condizione diversa. La variazione di titolo sarà 98/17.2= 5.7 gacqua/m³di aria cioè l aria uscirà con l entalpia prevista h uscita 19.5 kcal/kg e titolo = 14,5+5.7=20.2 g/kg

50 50 Entrando nel diagramma con h uscita 19.5 kcal/kg e titolo =20.2 g/kg Si ottiene la temperatura nel ricovero in uscita T= 30 C e UR= 72% Mentre quella che entra è T imissione 25 C UR immissione 75% h miscela 15 kcal/kg X miscela 14.5 g/kg v miscela 0.86 m³/kg