(IN ELABORAZIONE)
Occorrono le conoscenze dei capitoli di Termodinamica e di Generatori di vapore.
INTRODUZIONE TRASFORMAZIONI COMPONENTI ESEMPI COMPLEMENTI
COMPLEMENTI:
1) DEPURAZIONE
La depurazione consiste nel sottrarre all'aria tutti quegli elementi che possono creare disturbo o addirittura pericolo per gli esseri umani che si trovano in un dato ambiente. Può essere di due tipi: depurazione dell'aria entrante e depurazione dell'aria uscente. Si pensi ad una sala operatoria: è ovvio che si deve depurare l'aria entrante. Ma sempre in ambiente ospedaliero si pensi ad una corsia per malattie infettive: si deve depurare non solo l'aria entrante ma anche quella uscente. Altrettanto può accadere per certe industrie particolari, per esempio quelle che producono componenti elettronici: un solo granello di polvere può annullare la produzione di oggetti che richiedono aria assolutamente "pulita". Oppure le industrie che adoperano vernici e solventi: in questi casi non basta che gli operai indossino le maschere individuali, è necessario proteggere tutto l'ambiente interno e esterno all'azienda. La depurazione può essere condotta con diversi sistemi a seconda del tipo di inquinante da eliminare e delle esigenze degli utenti: camere di deposito, cicloni, filtri normali e speciali, sterilizzatori. Il sistema più semplice consiste nel lasciar "riposare" l'aria in appositi grandi ambienti nei quali le particelle solide per gravità si depositano sul fondo. Il sistema può essere reso più efficace e rapido spruzzando sull'aria getti d'acqua "nebulizzata": le polveri bagnate cadono verso il fondo più velocemente e inoltre l'acqua assorbe gas e vapori nocivi. Naturalmente l'aria diventa molto ricca di umidità per cui sarà necessario procedere alla sua deumidificazione.
2) FILTRI SPECIALI
Per ottenere la depurazione si adoperano filtri speciali in grado di estrarre dall'aria non solo polvere ma anche fumi e vapori non desiderati, filtri costituiti da schermi particolari e da macchine come le centrifughe (ciclone) che, con azione meccanica, allontanano qualunque tipo di inquinante. Brevemente:
a) filtro elettrostatico: è costituito di due parti: 1) la sezione di ionizzazione è costituito da una serie di elettrodi di tungsteno, positivi a 10.000 Volt, che caricano le particelle di polvere, fumo, gas, germi, ecc; 2) una piastra di cattura di alluminio con carica nulla; gli elementi che si sono caricati vengono attratti dalla piastra neutra che periodicamente deve essere ripulita con aria compressa o manualmente; il filtro elettrosatico deve essere protetto da un altro filtro che trattenga le particelle più grandi, per evitare che si intasi troppo in fretta;
b) ciclone: è in pratica una centrifuga che agisce sull'aria; l'aria viene messa in rapida rotazione provenendo dalla periferia di un ventilatore centrifugo: le particelle pesanti vengono spinte verso l'esterno ed escono attraverso piccolissimi fori in un imbuto di raccolta, mentre l'aria ripulita esce dall'occhio del ventilatore; l'aria può essere addizionata di acqua polverizzata per rendere più efficace il lavaggio (vedi paragrafo precedente);
c) filtri rotativi: sono costituiti di una membrana, coperta di una sostanza viscosa, che si muove trasportata tra due rulli; l'aria passando sul rullo lascia gli elementi solidi "appiccicati" alla sostanza viscosa;
d) filtri assoluti: sono costituiti da piastre di materiali speciali, a maglia fittissima, o da ceramiche speciali, con porosità in grado di trattenere grani di diametro inferiore a un centesimo di micron (un centomillesimo di millimetro);
e) carbone attivo: è quello adoperato nelle maschere antigas; è costituito di cartucce di carbone microporoso proveniente da torba, da carbone bituminoso, da gusci di frutta secca, da ossa animali; l'attivazione consiste in un trattamento con vapore o con prodotti chimici particolari che producono una superficie di contatto con il gas che può raggiungere i 1.000 m2 per ogni grammo di carbone.
3) STERILIZZAZIONE
La sterilizzazione consiste nel sottrarre all'aria batteri e virus. Ciò si ottiene facendo passare l'aria sotto una lampada che produce raggi ultra violetti capaci di "uccidere" gli elementi ricordati oppure con la ozonizzazione, cioè producendo scariche elettriche che producono ozono (molecole contenenti tre atomi di ossigeno, O3, anzichè i normali due, O2).
4) TRASMISSIONE DEL CALORE
La trasmissione del calore (e del freddo) è l'elemento fondamentale per un buon impianto di condizionamento. E' ovvio infatti che risulta quasi inutile riscaldare un ambiente che cede troppo facilmente il calore all'aria esterna. Si deve quindi cercare di ottenere l'isolamento dell'ambiente da trattare e perciò la costruzione di muri, pavimenti, soffitti, porte, finestre deve essere condotta secondo tecniche precise. Per muri e pavimenti si trovano in commercio materiali, detti isolanti, che consentono di ridurre drasticamente la possibilità di uscita (o di entrata) del calore. Per le porte e le finestre ci sono tecniche costruttive (vetri e porte doppie, con intercapedine e veli semiriflettenti) che consentono di ottenere ottimi risultati.
L'adozione di simili tecniche è legata al bilancio economico fra costo dell'isolamento e costo dell'energia risparmiata: se l'energia costa poco è inutile spendere per l'isolante; viceversa se l'energia costa molto, e magari si prevede che costi sempre di più, allora è indispensabile prevedere sistemi in grado di "conservare" l'energia in dotazione. Nella tabella seguente si elencano alcuni coefficienti di trasmissione del calore, da adoperare nell'espressione
DQ = k Dt
secondo le regole viste al paragrafo Muro di Fourier nel capitolo di Termodinamica.
camera aria |
||||||
Cal/hm2°C |
||||||
5) CIRCOLAZIONE DELL'ARIA
Una delle macchine fondamentali dell'impianto di condizionamento è il ventilatore, cioè la macchina destinata a muovere l'aria trattata: la loro disposizione però deve essere studiata in modo che tutta la massa sia interessata dal moto, senza ristagni e senza "corto circuiti" tali che l'aria entrante sia subito rimandata all'esterno. La circolazione può essere assicurata in diversi modi: in entrata e in uscita, dal basso e dall'alto, con circolazione naturale o forzata, con apposite condotte o senza. Nelle figure sono rappresentati alcuni esempi tipici.
Il ventilatore può essere sia all'ingresso, in mandata, che all'uscita, in estrazione. Le bocchette di entrata e di uscita sono di solito munite di grate di protezione ed eventualmente di filtri più o meno fitti a seconda delle necessità. La disposizione di ingressi ed uscite deve anche tener conto del moto naturale convettivo dell'aria: quella fredda si muove verso il basso e quella calda verso l'alto. Per contrastare questo moto naturale può essere utile tenere gli ambienti in leggera sovrapressione, immettendo una quantità di aria un poco maggiore di quella che si estrae.
Uno dei parametri di fondo da considerare è la velocità dell'aria, sia in ingresso che in uscita. Essa varia da un massimo di 30 m/s nei pressi del ventilatore di mandata o di estrazione (lontano dai locali da condizionare), sino ad un minimo di 0,5 m/s nelle bocchette di distribuzione: questo valore dipende dalla necessità che l'aria non crei nè rumori nè correnti troppo vive che potrebbero creare fastidio e danni alle persone che si trovassero nelle vicinanze dello sbocco.
6) VENTILATORI
I ventilatori adatti alla circolazione dell'aria sono sempre rotativi, e si possono classificare in due categorie essenziali: a pale (detti anche assiali perché il moto dell'aria è nella direzione dell'asse di rotazione) e centrifughi. I primi sono i più diffusi e danno velocità e pressioni di piccola entità mentre la portata può essere grande; i secondi, adatti per grandi impianti, danno pressioni e velocità piuttosto grandi. In entrambi i casi è possibile in molti modi regolare i parametri ricordati, tenendo ben conto delle perdite di carico nelle condotte.
La scelta della qualità, quantità e posizione dei ventilatori si effettua calcolando il volume d'aria di rinnovo che deve essere assicurata ai locali in funzione del tipo di attività e del numero medio di persone presenti (vedi tabella più in basso). Prendiamo il caso di un'aula scolastica frequentata da 20 alunni, senza attività di laboratorio: il rinnovo consigliato è di 30 m3/h-persona che nel nostro caso porta a 600 m3/h. Immaginando che porte e finestre siano chiuse, occorrerà un ventilatore che abbia quella portata e che ci sia in un muro o nel soffitto sia la bocchetta di ingresso che quella di uscita (vedi figure qui sopra). In base ai dati si sceglierà sui cataloghi delle case costruttrici il tipo di ventilatore e in base alle tabelle d'uso la disposizione delle canalizzazioni e la loro sezione, sezione che determina la velocità dell'aria (vedi paragrafo precedente).
I ventilatori centrifughi sono del tutto simili alle pompe centrifughe: ricevono l'aria in direzione assiale (l'occhio) e la spingono in periferia lungo una cassa a forma di chiocciola per mezzo di palette piuttosto numerose. Le palette possono essere orientate in avanti o indietro e creano una pressione che dipende dalla velocità di rotazione e dalla forma della cassa. Nei depuratori centrifughi, detti cicloni, il moto dell'aria è inverso, cioè entra dalla periferia ed esce dall'occhio.
I ventilatori vengono venduti corredati da uno stampato che riporta la curva caratteristica (una per ogni velocità di rotazione) della macchina, cioè il diagramma che mette in relazione pressione, portata e potenza del motore. Nella figura la curva celeste misura la pressione dinamica mentre quella blu misura la pressione totale, quindi la loro differenza misura la pressione statica (vedi il paragrafo seguente). La zona a sinistra, in azzurro, prende il nome di zona di pompaggio ed è da evitare in quanto il ventilatore diventa instabile e rumoroso.
7) PRESSIONE DELL'ARIA
La pressione totale ptot dell'aria lavorata da un ventilatore è la somma di due pressioni parziali: quella statica ps e quella dinamica pd. La pressione statica è quella che si avrebbe in un ambiente chiuso nella quale il ventilatore versa l'aria. La pressione dinamica è quella derivante dall'energia cinetica fornita all'aria. Di solito tali pressioni sono piccole e quindi si possono esprimere in millimetri di colonna d'acqua e si possono misurare proprio con manometri ad acqua, secondo gli schemi delle figure qui sotto.
Nella prima figura il manometro raccoglie solo la pressione statica poiché non è interessato direttamente dalla velocità dell'aria (il manometro rappresenta una camera chiusa); nella seconda figura l'imbocco a sinistra raccoglie tutta l'energia (sotto forma di pressione) dell'aria e con l'imbocco a destra raccoglie la pressione statica come controazione: quindi segna la differenza fra ptot e ps cioè pd; infine nella terza figura il manometro segna solo ptot.
8) RINNOVO E RICIRCOLO DELL'ARIA
L'aria, come si è detto, si carica, per effetto della presenza di persone, di umidità, di anidride carbonica, di odori, di germi. Ne segue che essa deve essere rinnovata con continuità, secondo le esigenze degli abitanti e delle attività che essi svolgono. Esigenze di igiene e di comfort dettano quantità e frequenza di tale rinnovo: la tabella seguente dà qualche numero in relazione a tale problema.
m3/h persona |
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Naturalmente in molti casi non è necessario che sia tutta aria "nuova" prelevata dall'atmosfera: una parte del rinnovo può derivare dal ricircolo, cioè da aria "vecchia" depurata e ricondizionata. Se però l'aria viene da luoghi particolarmente inquinati il ricircolo sarà escluso a priori. A seconda dell'attività svolta, per ciascun individuo presente nel locale occorrono da 15 a 50 m3 di aria nuova all'ora per assicurare una sufficiente quantità di ossigeno, asportare il calore e l'umidità in eccesso ed eliminare in particolare gli "odori" che inevitabilmente si creano negli ambienti chiusi. La portata di aria è quindi quella della terza colonna della tabella. Ben difficilmente tali portate possono essere assicurate dal ricambio naturale con l'apertura di porte e finestre, specialmente in inverno, e quindi è indispensabile ricorrere alla ventilazione forzata.
9) PERICOLO
Nei filtri possono accumularsi germi di tutti i tipi contenuti normalmente nell'aria. In tale ambiente essi possono trovare la condizione ideale per la loro proliferazione, per cui non è rarissimo il caso che dall'impianto di condizionamento provengano le cause di malattie anche gravi. In effetti la forzatura della circolazione dell'aria produce inevitabilmente un accumulo di tutti gli elementi presenti nell'atmosfera, anche quelli sgraditi. Ne segue che per ambienti particolari e per persone particolarmente sensibili è necessario predisporre sistemi di depurazione dell'aria entrante negli edifici, prevedendo uno o più sistemi di depurazione, in particolare ad esempio facendo passare l'aria sotto le lampade a raggi ultra violetti.
10) BENESSERE
Nella figura è riportata la zona del benessere estivo ed invernale. Naturalmente ciò è il risultato di indagini statistiche su una moltitudine di individui e l'ampiezza è proprio funzione della variabilità delle situazioni di agio e disagio degli individui.
I limiti possono essere così stabiliti: umidità dal 30 al 70 %; temperatura da 18 a 30 °C. All'interno di questa zona si individuano altre due fasce, sempre con gli stessi limiti di umidità: inverno temperatura 18 - 25 °C; estate 20 - 30 °C. Il massimo benessere è mediamente concentrato in inverno sulle temperature 20 - 23 °C; in estate 23 - 27 °C.
La zona centrale è compresa fra 20 e 25 °C sia per l'inverno che per l'estate e probabilmente è quella che conviene scegliere al momento del progetto di qualunque impianto, salvo diversa indicazione del committente.
N.B.
Tutto quanto si è detto è riferito al condizionamento per ambienti abitati da persone (case, uffici, industrie). Per altri tipi di locali destinati a merci o altro (magazzini, stalle, serre, ...) valgono altre scelte.
11) SISTEMI DI CONTROLLO E REGOLAZIONE
Gli elementi 1 e 2 rappresentano il fenomeno da controllare, per esempio l'aria in ingresso e in uscita; gli elementi 3 e 4, rappresentano i sensori immersi nel locale da condizionare, mentre P - R - S - C si trovano nella "scatola" di comando, controllo e regolazione. P è il processo da controllare, per esempio la temperatura dell'aria che esce dallo scambiatore; S è l'elemento sensibile al processo, il termometro; C è il controllore o regolatore, il termostato; R è l'elemento che produce la regolazione, per esempio l'oggetto che apre-chiude la valvola di arrivo dell'acqua calda-fredda che giunge allo scambiatore.
L'oggetto 3 è il termometro (per esempio una coppia termoelettrica) immerso nell'aria del locale, il cui segnale viene raccolto dall'elemento S (un trasduttore elettronico che amplifica il segnale prodotto dalla coppia termoelettrica); il segnale prodotto da S giunge in C e viene confrontato con il valore impostato sul termostato 4; se non ci sono differenze, il segnale si ferma; se c'è una differenza, in modo automatico o manuale, il termostato chiude il circuito che permette a R di agire sulle valvole di fornitura di caldo-freddo.
In questo modo la temperatura varia nel verso stabilito dal termostato e il termometro inserito sulla corrente d'aria può agire ancora o no su C attraverso S.
Ecco un breve elenco di dispositivi per gli elementi sensibili (sensori): a) alla temperatura: bimetallici, a dilatazione di solido, a dilatazione di fluido, a resistenza elettrica, a termocoppia; b) all'umidità: dilatazione di sostanze organiche (p.e. capelli umani), differenza di deformazione di due sensori, uno asciutto, l'altro bagnato, variazione di resistenza di sali igroscopici; c) alla pressione: deformazione di un elemento elastico, variazione di f. e. m. per effetto piezoelettrico; d) alla variazione della composizione di miscele gassose: variazione della conducibilità elettrica, variazione della conducibilità elettrica, variazione di assorbimento da parte di soluzioni chimiche; e) al passaggio di fluidi in un tubo: venturimetro, manometro differenziale; f) al livello dei liquidi: a galleggiante, a variazione di flusso magnetico, a variazione di flusso termico, elettronici.
12) POMPA DI CALORE
Qualche volta l'impianto autonomo viene commerciato con il nome di "pompa di calore" che dovrebbe essere una macchina che sottrae calore a bassa temperatura ad una massa per cederla ad alta temperatura ad un'altra massa (funzione inversa a quella del frigorifero). Purtroppo, anche se è vero il nome, la funzione è svolta in modo poco tecnologico in quanto il calore viene sottratto all'aria atmosferica esterna e quindi con una efficienza veramente minuscola. L'aria infatti ha un calore specifico a pressione costante molto piccolo (cp = 0,241 Cal / kg °C, cioè un quarto di quello dell'acqua) il che significa che occorre "lavorarne" una grande quantità per ricavare il calore necessario ad un ambiente. Ciò comporta la necessità di avere ventilatori particolarmente grandi e veloci da far funzionare per molto tempo.
Ben più vantaggioso sarebbe far ricavare il calore da una riserva di acqua, anche non molto grande, sistemata in un locale dove non si corra il rischio che essa congeli. L'unico vantaggio della pompa di calore aria - aria è che essa si installa in qualunque punto della casa senza nessun impianto ausiliario fisso.
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