IMPIANTO DI CONDIZIONAMENTO DELL'ARIA
(IN ELABORAZIONE)
Occorrono le conoscenze dei capitoli di Termodinamica e di Generatori di vapore.
(seguendo la traccia di C. Ciampa - I servizi ausiliari di bordo - III vol. - Liguori Editore)
INTRODUZIONE TRASFORMAZIONI COMPONENTI ESEMPI COMPLEMENTI
INTRODUZIONE:
A) COMPITO
Condizionare l'aria interna ad un edificio significa adeguare la sua temperatura, umidità e composizione(1) alle esigenze degli utenti o degli oggetti che vi si trovano. Ci occuperemo brevemente del condizionamento di ambienti destinati al soggiorno delle persone (vedi punto 10 alla pagina seguente).
B) SCHEMA A BLOCCHI
Lo schema in figura rappresenta in modo essenziale le "cose" che intervengono nella preparazione, costruzione e collaudo di un impianto di condizionamento aria.
1) ESIGENZE DEGLI UTENTI: sani, malati, allergici, ipertesi, amanti del caldo, ...
2) STATO ATTUALE DELL'ARIA: fredda, calda, carica di polline, umida, secca, ...
3) VARIAZIONI DA EFFETTUARE: temperatura, umidità, odore, composizione, ...
4) COSTRUZIONE DELL'IMPIANTO: ventilatori, filtri, tubi, distributori, umidificatori, correttori, ...
5) VERIFICA DELLE CONDIZIONI OTTENUTE: collaudo in presenza degli utenti, ...
6) CORREZIONE DELLE DISCREPANZE RISCONTRATE: regolazione, accordo con i committenti, ...
NOTA BENE:
nonostante tutto l'impianto probabilmente sarà "buono" soltanto per pochi utenti poiché le esigenze dipendono in modo essenziale dalle condizioni fisiche e psicologiche di ciascun individuo.
C) TEMPERATURA, PRESSIONE, UMIDITA'
Questi tre oggetti sono strettamente correlati fra loro e quindi occorrerebbe regolarli in contemporanea. Purtroppo è quasi sempre impossibile regolare la pressione perché i locali da condizionare sono aperti all'atmosfera: solo nel caso di ambienti ermeticamente chiusi è possibile intervenire anche su di essa. Noi non ci occuperemo di tali situazioni particolari.
Da quanto detto si ricava che gli impianti dovrebbero avere una regolazione continua al variare della pressione atmosferica, ma ciò non avviene mai, salvo casi eccezionali. In pratica l'impianto funziona su posizioni medie giudicate mediamente "confortevoli" per la media degli utenti, affidando la regolazione locale al solo parametro temperatura e lasciando che in particolare l'umidità sia regolata automaticamente dalla macchina principale secondo le impostazioni scelte dal costruttore.
D) LA TRASPIRAZIONE
Tutti gli esseri viventi, animali e vegetali, emettono vapore d'acqua come risultato della "combustione" dei cibi o, meglio, delle trasformazioni chimiche dei cibi che si traducono in energia vitale. Per quanto riguarda l'uomo la emissione di vapore d'acqua ha due origini: la respirazione e la traspirazione cutanea. Entrambi i fenomeni derivano dalla necessità di scaricare all'esterno l'eccesso di energia termica prodotta all'interno del corpo con l'assunzione dei cibi. Se non ci fosse la produzione di vapore la temperatura corporea crescerebbe moltissimo producendo danni irreparabili ai tessuti organici.
Tale processo va sotto il nome di termoregolazione corporea e avviene attraverso l'acqua per due sostanziali motivi: il corpo umano è costituito mediamente del 70 % di acqua e l'acqua è il migliore veicolo di accumulo e di perdita di calore in quanto ha il massimo valore di calore specifico. Infatti per vaporizzare un chilogrammo di acqua occorrono molte calorie oppure viceversa per condensarla occorre una grande massa a bassa temperatura, cioè: per bruciare un uomo occorre molto calore, perché bisogna far vaporizzare tutta la sua acqua corporea, e viceversa per congelarlo occorre una gran quantità di "freddo" perché il corpo possiede molto calore nascosto nell'acqua corporea(2). In definitiva la quantità di acqua del corpo umano è una difesa naturale dal caldo e dal freddo.
L'esigenza fisiologica della termoregolazione viene automaticamente assicurata soprattutto con la sudorazione: il corpo attraverso i pori espelle acqua che a contatto con l'aria esterna evapora sottraendo circa 500 calorie per ogni chilogrammo di sudore. Ma l'evaporazione del sudore è condizionata da tre fattori: la temperatura, l'agitazione e l'umidità dell'aria:
1) quando la temperatura esterna è alta l'evaporazione è più rapida ma nello stesso tempo il corpo riceve dall'aria quel calore che il sudore dovrebbe eliminare; ne segue che stare al caldo in estate non migliora ma peggiora il fenomeno termoregolazione.
2) l'agitazione dell'aria favorisce l'evaporazione perché il vento, naturale o artificiale, allontana il vapore già formato permettendo l'evaporazione di altro sudore.
3) l'umidità influisce nel senso che se quella contenuta nell'aria è già molta difficilmente ne riceve dell'altra e l'evaporazione del sudore è più lenta (lo stato è definito con il termine di afa).
E) L'UMIDITA'
L'umidità atmosferica solitamente viene espressa in percentuale rispetto al punto di rugiada. Si chiama punto di rugiada quel valore di umidità che ad una data temperatura e pressione fa iniziare la "pioggia", ciè produce la condensazione del vapore. E' il fenomeno, comune in inverno, che provoca l'appannamento dei vetri delle finestre delle camere abitate: le persone che si trovano nella camera producono vapore che non si vede (gas e vapori sono invisibili) perchè la temperatura all'interno è alta; ma vicino alla finestra la temperatura è inferiore per cui il vapore condensa bagnando i vetri.
In pratica accade che l'aria ad una certa temperatura non può contenere allo stato di vapore più di una certa quantità di H2O: il vapore in eccesso si trasforma in liquido, restituendo il calore latente di vaporizzazione. La situazione nella quale il vapore inizia la condensazione è detta punto di rugiada.
L'umidità relativa in percentuale è riferita al punto di rugiada a quella temperatura e a quella pressione. Diminuendo la temperatura il punto di rugiada si abbassa, per cui è appunto più facile che piova quando la temperatura è bassa(3). Dire che l'umidità atmosferica è al 60 % significa che nell'aria è presente il 60 % del vapore che farebbe iniziare la condensazione, cioè è al 60 % del punto di rugiada.
In valore assoluto l'umidità si esprime in grammi di vapore per ogni chilogrammo di aria. Ad esempio a 20 °C alla pressione di 1 atm il punto di rugiada è di 17,3 grammi di vapore per ogni kg di aria. Se l'umidità è al 60 % significa che ci sono 17,3 x 0,60 = 10,4 grammi di vapore per ogni kg di aria. Se l'umidità cresce di 17,3 - 10,4 = 6,9 g / kg inizia la "pioggia".
L'impianto può essere chiamato sia a togliere umidità, in particolare in inverno, ma anche ad aggiungerne, quindi ci saranno componenti umidificatori e deumidificatori.
F) IL CALORE
La variazione di temperatura influenza in modo importante lo stato di benessere fisico delle persone. Da ciò segue che funzione importante del condizionamento è il controllo delle quantità di calore apportate o sottratte all'ambiente.
Occorre quindi sapere per esempio quante persone soggiornano mediamente nell'ambiente e quale attività vi svolgono, quante lampade e di quale potenza, quali altri apparecchi elettrici, la qualità termoisolante dei muri e dei pavimenti e dei soffitti, e così via, per determinare il bilancio termico.
Il bilancio è però variabile al passare del tempo in quanto c'è la variazione giorno - notte, lavoro - riposo, presenza - assenza ecc. Inoltre c'è l'esigenza di cambiare l'aria con una certa frequenza per allontanare l'anidride carbonica e immettere nuovo ossigeno, e così via.
L'impianto può essere chiamato sia a togliere calore, in particolare in estate, ma anche a fornirne in inverno, quindi ci saranno componenti refrigeranti e riscaldanti.
G) DIAGRAMMA PSICROMETRICO
E' il diagramma fondamentale per lo studio degli impianti di condizionamento in quanto mette in relazione i tre parametri prima elencati: pressione, temperatura, umidità.
Viene costruito, uno per ciascun valore di pressione, su un piano che ha in ordinate le temperature in °C e in ascisse l'umidità assoluta in g / kg. Si compone di fasci di linee che riguardano in particolare le curve isoigroscopiche, le isoentalpiche (rette nere oblique nella figura, indicate con h = cost) e le isovolumiche.
Le curve a umidità relativa costante (isoigroscopiche, in rosso nella figura) sono molto vicine all'asse t a bassa temperatura, crescono verso l'alto tendendo a diventare orizzontali. La curva più bassa si chiama curva di saturazione (curva dei punti di rugiada) e rappresenta il limite inferiore di esistenza del vapore: al disotto c'è liquido o solido(4) a seconda che la temperatura sia sopra o sotto lo 0 °C.
Noti i valori tA (temperatura) e xA (umidità assoluta) è nota la posizione del punto A sul diagramma e quindi si possono ricavare gli altri valori che permettono di intervenire sullo stato dell'aria da condizionare.
In particolare, stabilito di voler raggiungere la condizione B, si possono seguire diverse vie di intervento (vedi i paragrafi D - E alla pagina seguente), per esempio:
1) sottrarre calore facendo diminuire la temperatura (A - 1) e poi sottrarre umidità a temperatura costante (1 - B);
2) sottrarre umidità e calore a temperatura costante (A - 2) e poi diminuire la temperatura fornendo umidità (2 - B).
Naturalmente per effettuare queste operazioni è necessario disporre di strumenti di misura e di batterie di apparecchi e macchine capaci di effettuare le trasformazioni in una successione preordinata.
H) STRUMENTI DI MISURA
Gli strumenti fondamentali sono due: a) termometri e b) igrometri:
a) i termometri sono sempre due: uno con il bulbo secco e l'altro con il bulbo bagnato. Il primo misura la temperatura dell'aria umida, cioè della miscela aria secca - vapore, il secondo quella dell'aria secca.
b) il primo igrometro (misuratore di umidità) è uno strumento un poco strano: infatti è basato sulla proprietà dei capelli umani di cambiare lunghezza proporzionalmente al tasso di umidità. I moderni sono di tipo digitale e si basano per esempio sulla variazione di resistenza elettrica di sali particolarmente sensibili alla umidità (sali igroscopici come il cloruro di magnesio o di calcio).
I) RAPPRESENTAZIONE GRAFICA
Come per gli altri impianti anche qui esiste una simbologia unificata per la rappresentazione dei componenti e delle funzioni. Senza di essi la descrizione dell'impianto diventerebbe quasi impossibile poiché la costruzione può diventare veramente complicata. Se poi l'impianto prevede l'impiego di componenti pneumatici o oleodinamici, sia per i comandi che come elementi di servizio, potranno esserci disegni separati e il complessivo sarà un semplice disegno schematico. Tenendo conto che ci saranno componenti riscaldanti e raffreddanti, lo schema andrà completato con un impianto frigorifero e una caldaia, rendendo il tutto assai complesso.
Ecco nella figura qualche simbolo unificato (i rettangoli rappresentano la sezione della condotta dell'aria, solitamente in lamiera di acciaio o di alluminio):
1) nella serranda sono collocate delle alette incernierate che possono essere manovrate in modo da permettere o ostacolare il flusso dell'aria.
2) il filtro può essere a grata metallica più o meno fitta o di altro materiale, con il compito di fermare i corpi estranei presenti nell'aria.
3) l'elemento riscaldante è presente sia in inverno che in estate per regolere la temperatura e permettere ad esempio l'umidificazione.
4) il ventilatore ha il compito di far muovere l'aria nella condotta a piccola velocità per non creare rumore.
5) per eliminare l'anidride carbonica e gli odori fastidiosi una parte dell'aria viene espulsa e rimpiazzata da aria fresca che si miscela con quella che viene riciclata. La porzione di tubo addetta allo scopo è munita di alette mobili con cerniera centrale che possono essere mosse con un apposito motore comandato localmente o telecomandato da un sensore opportuno, sensibile per esempio alla percentuale di umidità o di anidride carbonica.
6) sia in estate che in inverno può essere necessario aggiungere umidità all'aria e ciò viene realizzato per esempio con un apporto di vapore prodotto in una caldaia (vedi punto B) alla pagina seguente).
7) per il raffreddamento si usa uno scambiatore percorso da acqua fredda, prodotta in un impianto frigorifero, che sottrae calore all'aria.
8) l'aria che viene espulsa per il rinnovo periodico porta via calore o freddo: per limitare tale perdita di energia l'aria si fa passare in un tamburo rotante con alette metalliche. Le alette si riscaldano o si raffreddano con l'aria espulsa (freccia marrone), poi ruotano e cedono il calore o il freddo all'aria entrante (freccia rossa). Il movimento è assicurato da un motore elettrico molto lento. Il tamburo è inserito in tubo doppio (uno per l'ingresso e l'altro per l'uscita) divergente, ed è munito di filtro.
(1) L'aria è una miscela di gas, essenzialmente ossigeno e azoto, e di vapori e di polveri e di pollini e di altro. Il condizionamento consiste anche nel variare la quantità e la qualità dei componenti di qualunque tipo presenti o assenti nell'aria: niente vieta, volendo, di profumarla.
(2) Alla pressione atmosferica un kg di acqua contiene 1 caloria per ogni grado Celsius di temperatura: un uomo di 100 kg contiene 60 kg di acqua alla temperatura di 37 °C e quindi possiede Q = 37 x 60 = 2.220 Cal. Ingerendo cibo per 2.000 Cal, consumandone 500 per le attività quotidiane, espellendone altre 500 con i rifiuti solidi e liquidi, utilizzandone altre 500 per riscaldare a 37 °C le bevande e i cib ingeriti a temperatura inferiore, con la respirazione e la traspirazione si devono perdere altre 500 Cal per mantenere l'equilibrio termico. Per il congelamento occorre sottrarre 80 Cal / kg; per la vaporizzazione a 100 °C occorre somministrare 540 Cal / kg.
(3) Naturalmente il fenomeno pioggia è più complicato. Ad esempio al suolo la temperatura può essere alta e bassa alla quota delle nuvole, e allora piove anche in estate, oppure viceversa, la temperatura al suolo può essere bassa e alta in quota per cui non piove neppure in inverno, se non ci sono nuvole è inutile aspettare la pioggia. Eccetera ...
(4) In realtà c'è sempre una dose di vapore che circonda sia i liquidi che i solidi, ma è in quantità trascurabile e aderente alle superfici dalle quali si sviluppa.
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