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:

LQ

⋅=

8602ε

Q2 = calore estratto in Kcal/h o Kfrig/h, L = è il lavoro fornito espresso in KW.

Per una macchina di Carnot reversibile

21

2

TTT

MAX −=ε

con T1 e T2 in K.

FRIGORIFERI AD ARIA E AD ACQUAper 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’ GENERAL-MENTE 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 REFRIGERANTII 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 cpv = 0,252 Kcal/kg K

t = + 50 °C Ps = da 30,64 a 30,71 bara cpv = 0,574 Kcal/kg K

Il calore latente di vaporizzazione vale:a – 10 °C r = 55,68 Kcal/kga + 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 èchiamata 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 seviene 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 RAFFREDDAMENTOLe 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 ègenerato 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 FUNZIONAMENTOLa 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 tdell’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 .

∫ −= 1

2 0

t

t hhdt

LKaV

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:

(2)

t1 = temperatura di ingresso dell’acqua in °Ft2 = temperatura di uscita dell’acqua in °FK = 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 ÷ 1,5Il 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.

A1

A2

B1

B2