i componenti delle unità di trattamento aria Vulcan PRO: le batterie di raffreddamento ed il "fattore di by-pass"

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1 i componenti delle unità di trattamento aria Vulcan PRO: le batterie di raffreddamento ed il "fattore di by-pass" rev febbraio 2010

2 introduzione Nella progettazione degli impianti di climatizzazione che impiegano unità di trattamento aria, all'atto del dimensionamento delle batterie di scambio termico viene sovente sottovalutato il "fattore di contatto" tatto", meglio conosciuto al suo reciproco come "fattore di by-pass" (BF BF), mentre invece, in molti casi, la sua giusta valutazione può risultare determinante per l'ottenimento delle effettive prestazioni richieste dall'impianto. Questo fattore indica, molto semplicemente, la percentuale d'aria che passa attraverso il pacco alettato della batteria senza subire alcuna variazione in quanto non entra in contatto con le superfici di scambio termico. Statisticamente il fattore di by-pass dipende principalmente dal numero di ranghi che costituisce la batteria mentre il passo delle alette e la velocità dell'aria incidono in modo minore. il fattore di by-pass sulle batterie riscaldanti Sulle batterie riscaldanti questo fattore riveste una minore importanza rispetto alle batterie raffreddanti in quanto, generalmente, non è il fabbisogno termico invernale a determinare la portata d'aria del ventilatore. Per i nostri climi la portata d'aria viene calcolata in base al fabbisogno frigorifero estivo nel rispetto del rapporto calore sensibile / calore totale e la sua quantità è sempre abbondante per le esigenze invernali. In ogni caso, qualunque sia il valore del BF, il dispositivo di termo-regolazione farà in modo di variare le temperature del quantitativo d'aria realmente riscaldato in modo che la temperatura di immissione in ambiente sia mantenuta al giusto valore. il fattore di by-pass sulle batterie raffreddanti Sul dimensionamento di queste batterie, siano esse ad espansione diretta oppure ad acqua refrigerata, il fattore di by-pass diventa invece importante. Definire una portata d'aria e le sue condizioni a valle della batteria raffreddante senza tenerne conto significa correre il rischio di realizzare impianti che potrebbero non raggiungere le condizioni di progetto richieste. Solo le batterie raffreddanti con il numero di ranghi adatto sono in grado di effettuare esattamente il trattamento dell'aria richiesto assicurando il giusto rapporto tra calore sensibile e calore totale. Le batterie non correttamente dimensionate scambieranno calore sensibile in eccesso o in difetto, a scapito del calore latente pur garantendo lo stesso calore totale. Non risulteranno pertanto idonee pur avendo la stessa resa termica complessiva. schema di una batteria di scambio termico ad acqua calda o refrigerata 2

3 esempio di calcolo Per meglio chiarire quanto sopra descritto procediamo con un esempio pratico di calcolo, svolto solo per la fase estiva, con valori ricavati direttamente dal diagramma psicrometrico. - destinazione ambiente = sala riunioni - località: hinterland di Milano - volume = circa 450 m 3 - superficie della sala = 150 m 2 - massimo affollamento: 80 persone (valore massimo consentito dalla UNI = 90 pp) - condizioni termoigrometriche esterne di progetto: -- punto E : t E = +30 C / UR E = 55% / h E = 68 kj/kg / x E = 14,8 g/kg - condizioni termoigrometriche interne di progetto: -- punto A : t A = +26 C / UR A = 50% / h A = 53 kj/kg / x A = 10,5 g/kg - calore dissipato in sala: -- dalle persone: -- in estate a + 26 C = sensibile = 70 x 80 = W - latente = 60 x 80 = W -- altre fonti (luci, ecc.) solo sensibile = W complessivi...sensibile = W latente = W - rientrate totali di calore sensibile nel periodo estivo per trasmissione e irraggiamento = W -- vapore emesso in ambiente = / 0,69 = X = g/h = circa 7 litri/ora -- calore totale = sensibile = Qs = W/h ( kj/h ) latente...= Ql = W/h ( kj/h ) totale...= Qt = W/h equivalenti a kj/h fattore termico R a dell'ambiente = Qs / Qt = / kj = circa 0,785 Nella fig.1 che segue sono riportati i dati sopra indicati con la retta R a e con una condizione immissione aria in ambiente, scelta con una UR compresa tra il 90 ed il 95%, pari a: -- punto U : t U = +14 C / UR U = 93% / h U = 37,2 kj/kg / x U = 9,3 g/kg si può pertanto ricavare l'aria da mettere in circolazione data da: P = Qt / (J A -J U ) = / ( 53-37,2 ) = kg/h. 0,825 = m 3 /h Per garantire la qualità dell'aria interna in classificazione IDA 2 il calcolo IAQ prescrive un rinnovo d'aria esterna pari a 25 m 3 /h per persona corispondenti a: 80 p. 25 = m 3 /h 3

4 - fig.1-4

5 La costruzione grafica della condizione di miscela aria entrante nella batteria di scambio termico, indicata al punto M giacente sulla retta che unisce i punti A e E risulta: -- punto M : t M = +28 C / UR M = 54% / h M = 60 kj/kg / x M = 12,5 g/kg Sul diagramma alla fig.2 si è tracciata una retta dal punto M, passante per il punto U fino ad intersecare la curva di saturazione al punto S ( ts = circa +12 C sat.) L'inclinazione di questa retta R t rappresenta il nuovo rapporto Qs/Qt comprensivo del carico dell'aria esterna. La potenzialità complessiva che la batteria dovrà rendere è data da: Q R = P. ( J M - J U ) = ( 60-37,2 ) = kj/kg equivalenti a 32,33 kw schema di allacciamento idraulico in "controcorrente" La nuova retta M - S tracciata rappresenta la portata d'aria totale di m3/h passante nella batteria, dove il punto U, relativo alla condizione di uscita aria, indica in questo caso la condizione di miscela tra l'aria trattata (segmento M - U ) e l'aria by-passata ( segmento S - U ). Quantificando le portate d'aria in modo proporzionale alla lunghezza dei segmenti sopra citati si ricava graficamente che il segmento M - U corrisponde al 8,75% circa della portata totale ovvero, arrotondando, un fattore di by-pass = 0,125 ed un fattore di contatto = 0,875 circa. 5

6 - fig.2-6

7 Con un fattore di contatto = 0,875 ricaviamo dal grafico alla fig.3 che alla nostra batteria assicurerà il trattamento idoneo all'ambiente in esame con: - 6,4 ranghi arrotondati per eccesso a 7 ranghi - velocità di passaggio 2,5 m/s - passo alette 4,0 mm - 5,4 ranghi arrotondati per eccesso a 6 ranghi - velocità di passaggio 2,5 m/s - passo alette 3,0 mm - 4,7 ranghi arrotondati per eccesso a 5 ranghi - velocità di passaggio 2,5 m/s - passo alette 2,5 mm fig. 3 - grafico per la determinazione preventiva del fattore di contatto ( valore reciproco al fattore di by-pass ad es.: con fattore di contatto 0,875 avremo un fattore di by-pass = 1-0,875 = 0,125 = BF 12,5% ) (valori medi da verificare in sede esecutiva con quelli del costruttore della batteria - rif.to geometria P40 - tubi da 5/8") temperature del fluido termovettore Tornando ad analizzare il segmento M - S tracciato sul diagramma di fig.2, il punto S giacente sulla curva di saturazione rappresenta la temperatura media superficiale (tm s = 12 C ) a cui si trovano le alette della batteria; l'aria uscente, rappresentata dal punto U, sarà una miscela tra l'aria by-passata alle condizioni A con quella raffreddata e deumidificata uscente alle condizioni S. E' evidente che il fluido termovettore dovrà avere caratteristiche di temperatura tali da garantire, come minimo, la temperatura media superficiale sopra indicata. Normalmente il fluido termovettore si considera con una temperatura media di circa 2 C inferiore alla temperatura media superficiale delle alette, pertanto, nel nostro esempio, andremo ad effettuare il calcolo della batteria prevedendo la sua alimentazione con acqua refrigerata entrante a +7,5 C ed uscente a +12,5 C (tm b = 10 C). verifica di calcolo nel programma Vulcan PRO Tutti i dati ricavati servono all'impostazione iniziale del calcolo della batteria nel programma che li elaborerà in relazione al reale fattore di by-pass impostato dal Costruttore. A volte si renderà necessario effettuare più tentativi variando il passo alette, la geometria dei tubi ed anche la temperatura del fluido termovettore sino ad ottenere la condizione di uscita aria ed il fattore di contatto più vicini possibile a quanto richiesto dal calcolo. 7

8 Nel programma Vulcan PRO selezioniamo la grandezza dell'unità sulla base della portata d'aria calcolata e successivamente richiamiamo la sezione di trattamento con batteria di raffreddamento e deumidificazione. Viene selezionata la grandezza con una velocità di attraversamento dell'aria nella batteria di 2,43 m/s che assicura, essendo inferiore al limite di 2,6 m/s, il corretto drenaggio dell'acqua condensata sulle alette senza trascinamenti. Dalla prima impostazione dei calcoli viene lasciato libero il programma di selezionare in automatico la batteria più economica che, in questo esempio, risulta con geometria P (tubi da 12 mm con passo 30 x 30 mm) a 6 ranghi. Il risultato, in fig.4, propone una batteria con una resa di 30,71 kw contro i 32,33 kw necessari, ed una uscita aria a +14 C con UR.99,3% contro una UR. del 93%. fig. 4 - primo calcolo batteria con impostazione di default 8

9 Nella fig.5 che segue siamo passati, con la stessa geometria della scelta precedente, ad impostare il calcolo nella versione "manuale" e con la potenza richiesta di 32,33 kw in sostituzione della temperatura di uscita aria precedentemente impostata. Con questa impostazione il numero di ranghi non cambia ma la condizione di uscita aria scende a +13,5 C satura (UR.100%). fig. 5 - secondo calcolo batteria con impostazione della potenza richiesta e calcolo in modalità manuale fig. 6 - determinazione della batteria ottimale 9

10 Procedendo per tentativi con le diverse opzioni di batterie che il programma di calcolo prevede, si determina la batteria che più si avvicina a soddisfare le condizioni di uscita aria richieste che, nel ns. esempio, è rappresentata alla fig.6 dove risulta: - geometria P.40 con tubi da 5/8" (16 mm) - ranghi n 5 - passo alette 2,5 mm - uscita aria a +14,3 C con UR.92,8% (contro i 14 C con UR.93% richiesti) conclusioni Dall'esempio di calcolo sopra riportato appare evidente quanto sia importante disporre sempre di dati tecnici dettagliati per il corretto dimensionamento esecutivo di questo importantissimo componente. Si consiglia in fase di offerta di non far visualizzare la geometria ed i dati costruttivi delle batterie lasciando indicata solo la sigla che riporta i materiali previsti per i tubi e le alette (Cu-Al = tubi in rame ed alette in alluminio) e la sigla del fluido termovettore previsto (AR = acqua refrigerata) come indicato nella fig.7- - fig.7 - Sarà poi nella "verifica esecutiva", prima di passare alla costruzione dell'unità, che il calcolo verrà evidenziato con tutti i dati costruttivi della batteria (fig.8), avallati dalla restituzione della verifica stessa controfirmata per accettazione da parte del Cliente. - fig. 8-10