Questo articolo si rivolge a chi è intenzionato a esordire nel mondo della refrigerazione e si pone domande sui fenomeni termodinamici che ne determinano le tecnologie. Lo scopo è quello di illustrare in modo divulgativo quei rami della fisica che forniscono una migliore comprensione di certi eventi, portando il lettore a una maggiore consapevolezza delle correlazioni esistenti tra cause ed effetti.
Introduzione alla Trasmissione del Calore
La trasmissione del calore avviene tramite conduzione, convezione e irraggiamento.
Conduzione
La conduzione è un fenomeno tipico dei solidi o di zone di contatto tra corpi diversi, che si verifica quando il calore si propaga dalla zona più calda a quella più fredda senza spostamento di materia, a causa del movimento vibratorio delle molecole e degli atomi del corpo. I materiali si dividono in buoni e cattivi conduttori del calore a seconda della loro maggiore o minore attitudine a trasmetterlo per conduzione. Scaldando un capo di una barra di metallo, si nota che in breve tempo, senza che vi sia stato movimento di materia, il calore è giunto all’altra estremità della barra.
Convezione
La convezione è un fenomeno tipico dei gas e dei liquidi. Quando si riscalda una parte di essi, si verifica un movimento ascensionale dovuto alla minore densità della parte più calda.
Irraggiamento
L’irraggiamento è il processo di emissione da parte di un corpo caldo di radiazioni elettro-magnetiche alcune delle quali (quelle denominate infrarosse) riscaldano il punto che colpiscono, come la luce del sole che giunge sino a noi attraverso il vuoto interplanetario. Ciò avviene senza contatto tra i due corpi a diversa temperatura e senza spostamento di materia.
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Pressione di Vapore Saturo e Temperatura di Ebollizione
Consideriamo un liquido come l’acqua, chiuso all’interno di un recipiente e riempito per metà da esso. Nella parte superiore del recipiente sono presenti molecole di acqua allo stato gassoso, che sono evaporate dal liquido sottostante. All’inizio dell’evaporazione sono presenti poche particelle in fase gassosa, quindi le molecole che si trovano sulla superficie del liquido e che possono staccarsi da esso, passando alla fase di gas, sono più numerose di quelle che vi rientrano. Questo processo continua fino a quando il numero di particelle che passa alla fase gassosa uguaglia il numero di particelle che rientra in fase liquida, stabilendo un equilibrio tra le due fasi.
Ora il gas presente nella parte superiore del recipiente esercita una pressione sul liquido sottostante e sulle pareti del contenitore. Quando la pressione di vapore del gas uguaglia la pressione atmosferica, la temperatura raggiunta dal gas viene definita come “temperatura di ebollizione”, indicando la temperatura alla quale la pressione di vapore saturo diviene uguale alla pressione atmosferica.
Possiamo notare la presenza della pressione di vapore saturo anche nel fenomeno dell’ebollizione di un liquido che viene scaldato da una sorgente di calore, in cui si andranno a formare delle bollicine di vapore al cui interno la pressione è pari a quella del vapore saturo. Il vapore ha chiaramente una densità inferiore a quella del liquido e per questo motivo vi galleggia al di sopra. Quello che non vediamo è un fenomeno microscopico che si produce, cioè una condizione di equilibrio tra fase liquida e fase gassosa (vapore), in cui il numero di particelle (o meglio “entità molecolari”) che dalla fase liquida passano alla fase gassosa è uguale in media al numero di quelle che condensano nel liquido. Quando avviene questo fenomeno, si dice che siamo alla presenza di “vapore saturo”.
Definita la pressione di saturazione, a ogni gas corrisponde una temperatura di ebollizione, ma anche definita la temperatura di ebollizione, a ogni gas corrisponde una pressione di saturazione. Da questo si deduce che un qualsiasi gas puro, in condizioni di saturazione, esercita una pressione che dipende unicamente dalla temperatura a cui si trova. Detto ciò, è valido anche il ragionamento inverso, ovvero data una pressione e una temperatura di ebollizione possiamo definire, con apposite tabelle, di quale sostanza stiamo parlando. Se ad esempio chiedessimo qual è la sostanza che bolle a 100°C quando la pressione è pari a 101325Pa, appare ovvio anche senza l’uso di tabelle, che la risposta sia “acqua”.
Riprendiamo l’esempio della pentola sul fuoco piena di acqua bollente, poniamo sopra un coperchio a cui è connesso un tubo tramite un foro. Il vapore che scorre dentro il tubo (nel caso ipotetico che sia adiabatico) si troverà alla pressione atmosferica e alla temperatura di 100°C, in altre parole alla stessa condizione che si ritroverebbe dentro alla pentola. Se dovessimo scaldare ulteriormente il tubo, e quindi anche il vapore in esso contenuto, questo si porterebbe a una temperatura maggiore crescente, pur rimanendo sempre alla pressione atmosferica.
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Riprendendo l’esempio qui sopra citato, supponiamo di collegare sul fondo della pentola, un tubo in cui scorre dell’acqua bollente. Anche in questo caso l’acqua si troverà alla pressione atmosferica e a una temperatura di 100°C.
Calore Sensibile: Definizione e Esempi
La quantità di calore che provoca una variazione di temperatura si definisce calore sensibile. In termodinamica il calore sensibile è la quantità di calore che viene scambiata tra due corpi producendo una diminuzione della differenza di temperatura tra i due corpi. Questo calore continua ad essere scambiato finché vi è una differenza di temperatura tra i due corpi nulla, cioè finché non viene raggiunto l’equilibrio termico.
La quantità di calore necessaria ad incrementare 1°K, 1kg di acqua, è pari a 4,176 kJ (in realtà questa quantità di calore non è costante al variare della temperatura, ma per il nostro esempio le differenze sono trascurabili). Se, ad esempio vogliamo portare a 100 °C un chilo di acqua partendo dalla temperatura di 19 °C dovremo dunque erogare: (100 - 19) *4,176 = 334,88 kJ. Allo stesso modo, se volessimo raffreddare un chilo d’acqua da 19 °C a 0 °C, dovremmo asportare calore pari a 83,72 kJ.
Fornendo calore sensibile o asportandolo, noi abbiamo accelerato o rallentato i moti molecolari in una misura che ha riscontro nella corrispondente variazione di temperatura.
Calore Latente: Definizione e Esempi
Per provocare un cambiamento di fase, occorre fornire o sottrarre una quantità supplementare di calore oltre a quella necessaria a raggiungere la temperatura di trasformazione. Se a questo punto cessasse l’apporto o la sottrazione di calore (trascurando l’influenza dell’ambiente) noi rimarremmo indefinitamente alla presenza di un’acqua a 100 °C che non evapora, o di un’acqua a 0 °C che non si solidifica in ghiaccio. La quantità di calore fornito in un caso e asportato nell’altro infatti è quello sufficiente a determinare la variazione di temperatura richiesta per consentire il cambiamento di fase; ma ciò non basta a provocarlo.
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Sappiamo però che un cambiamento di fase non consiste solo in una variazione dei moti molecolari, ma anche in una modificazione dell’assetto di aggregazione della sostanza e cioè in una rottura di legami molecolari (nel caso della fusione e della vaporizzazione) o in una creazione di nuovi legami (nel caso della condensazione e della solidificazione). Per permettere che ciò avvenga, è necessario fornire o asportare molta più energia, cioè molto più calore.
Questa seconda quantità di calore, che è assorbita o ceduta dalla materia durante il cambiamento di fase, si definisce calore latente e lo scambio avviene senza ulteriori variazioni di temperatura (e quindi in modo non apparente). Il calore latente di evaporazione è una quantità rilevante di calore, spesso maggiore a quella necessaria al semplice innalzamento della temperatura del liquido.
Per ottenere la completa trasformazione in vapore dell’intera quantità di acqua è necessario fornire 2.272 kJ (anziché 417,6kJ), che rappresentano l’energia richiesta dalla rottura dei legami molecolari. Esiste anche un calore latente di congelamento, che rappresenta la quantità di energia asportata da una sostanza dopo che essa è stata portata alla propria temperatura di congelamento. Si tratta in genere di una grandezza meno rilevante di quelle riferite all’evaporazione, ma sempre importante rispetto alle quantità di calore sensibile che entrano in gioco.
Nel caso di un kg di acqua a 19 °C, abbiamo sottratto 83,72 kJ per scendere alla temperatura di 0 °C. Ogni sostanza, e in particolare ogni sostanza alimentare, ha un proprio calore specifico e un proprio calore latente il quale, insieme o separati, sono elementi di calcolo per il dimensionamento dell’impianto frigorifero.
Tabella riassuntiva dei calori latenti dell'acqua
| Processo | Temperatura | Calore Latente (J/kg) |
|---|---|---|
| Fusione (Solido a Liquido) | 0°C | 334,000 |
| Vaporizzazione (Liquido a Gas) | 100°C | 2,260,000 |
| Condensazione (Gas a Liquido) | 100°C | -2,260,000 |
Compressione ed Espansione dei Gas
In ambito termotecnico, per “compressione” si intende il processo applicato ad un aeriforme, che comporta una riduzione del volume specifico del gas e di conseguenza un aumento di pressione e temperatura. Un caso pratico lo ritroviamo quando, con una vecchia pompa a mano, gonfiamo la gomma della bicicletta: sentiremo che la parete della pompa si scalderà e questo fenomeno non è tanto dovuto all’attrito del pistone contro le pareti della pompa, ma dalla compressione dell’aria al suo interno.
In un cilindro si trova un ben definito gas ad una certa temperatura e ad una certa pressione in equilibrio termodinamico con l’ambiente circostante; supponiamo, quindi, di far scorrere il pistone e di ridurre la pressione al suo interno, la pressione, all’interno del cilindro, diminuirà ma, conseguentemente, diminuirà anche la temperatura del gas.
L’espansione dei gas è il fenomeno inverso della compressione. Quando un gas è lasciato espandere si è compiuto un lavoro dal sistema verso l’ambiente. Se l’espansione avviene adiabaticamente il gas deve raffreddarsi in conseguenza della diminuzione di energia interna. Quando un gas si espande la distanza media tra le sue molecole aumenta. Data la presenza di forze attrattive intermolecolari, l’espansione causa un aumento di energia potenziale del gas. L’aumento di energia potenziale produce quindi una diminuzione dell’energia cinetica e quindi una diminuzione di temperatura del gas.
Carico Termico: Definizione e Calcolo
Il carico termico di un ambiente è definito come la potenza termica che deve essere fornita o sottratta al fine di mantenere l’ambiente in condizioni prefissate di temperatura e di umidità. Calcolare i carichi termici è una operazione molto importante per almeno due motivi: il dimensionamento degli impianti e per far emergere eventuali criticità circa il tipo di edificio o l’utilizzo dello stesso. Il calcolo dei carichi termici è di fondamentale importanza per il benessere igrometrico degli occupanti di un edificio. Per questo motivo è opportuno calcolarlo con massima accuratezza, al fine di tenere sotto controllo la risposta degli impianti di condizionamento durante tutto l’anno.
Componenti del Carico Termico
Il carico termico si suddivide in:
- Sensibile (Qs): associato ad una differenza di temperatura tra ambiente esterno ed interno.
- Latente (Ql): associato ad una differenza di umidità tra ambiente esterno ed interno.
Il carico termico sensibile è indotto dalle interazioni energetiche con l’ambiente esterno che a loro volta dipendono dalla trasmissione del calore attraverso l’involucro e dall’infiltrazione di aria, così come anche dalla radiazione solare, dalla presenza di persone e da fonti di calore endogene.
Il carico termico latente, invece, è indotto dalla presenza di persone e dall’umidità associata ad aria che si infiltra attraverso l’involucro e/o in ingresso/uscita dagli ambienti a causa dell’apertura saltuaria di porte e finestre. Bisogna tener presente che per il regime invernale non si considera il carico latente (entrante) nell’ambiente a differenza di quello sensibile che è uscente.
In estate, invece viene considerato il carico termico latente.
Carichi Termici Invernali
Conoscere il carico termico invernale è fondamentale per dimensionare correttamente gli impianti termici e i relativi sottosistemi di generazione, distribuzione ed emissione. Viene valutato in condizioni di progetto lasciando al sistema di regolazione il compito di adeguare la fornitura energetica alla variabilità della richiesta (dispersioni).
Il carico termico invernale si calcola considerando l’assenza di contribuiti favorevoli (come ad esempio la radiazione solare) ipotizzando una temperatura dell’aria esterna fissata convenzionalmente secondo legge e differenziata in base al comune o alla città di appartenenza (D.P.R. 1052/1977). La temperatura interna è fissata convenzionalmente a 20° c.
Formula di Calcolo del Carico Termico Invernale
La formula per calcolare il carico termico invernale sensibile è la seguente:
Qtot = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + QR
- Q1 = potenza termica che fuoriesce attraverso l’involucro disperdente verso l’esterno (opaco e trasparente) + potenza termica dispersa attraverso il terreno;
- Q2 = potenza termica dispersa per trasmissione verso locali non riscaldati;
- Q3 = potenza termica dispersa per trasmissione attraverso i ponti termici;
- Q4 = potenza termica dispersa per ventilazione;
- QR = potenza termica di ripresa, ossia, in caso di utilizzo intermittente dell’impianto, la potenza necessaria a ristabilire la condizioni di confort termico in caso di riaccensione dopo lo spegnimento dell’impianto.
Il Qtot è fondamentale per dimensionare correttamente il sistema di emissione (terminali) al servizio del locale riscaldato.
Carichi Termici Estivi
Durante la stagione estiva il fabbisogno di energia per il raffreddamento viene influenzato sia dalla radiazione solare che dalle esposizioni che variano nel tempo. Ne consegue che bisogna calcolare il carico termico in ore diverse della giornata ed individuare:
- le condizioni di picco per ogni ambiente, valore che serve per determinare il fabbisogno massimo dei singoli ambienti;
- il massimo contemporaneo a tutti gli ambienti, valore che serve per ottenere la potenzialità del gruppo frigorifero.
Bisogna tener presente 3 aspetti:
- la radiazione solare incide sul carico termico estivo;
- il carico termico è quasi del tutto dipendente dalla radiazione solare nei locali senza una massiccia presenza di persone e con buona percentuale di superfici trasparenti;
- il carico termico dipende quasi del tutto dalle fonti endogene nei locali con limitata superficie trasparente, ma con una significativa presenza di persone e potenze installate (lampade, macchinari).
Formula di Calcolo dei Carichi Termici Estivi
Di seguito ti riporto la formula per calcolare il carico termico estivo:
QS = Qst + Qso + Qd + Qel + Qme + Qp + Qv + Qs
- Qst: potenza termica in ingresso attraverso le superfici trasparenti;
- Qso: potenza termica in ingresso attraverso le superfici opache;
- Qd: potenza termica entrante attraverso le superfici confinanti con locali non condizionati;
- Qel: potenza termica entrante dovuta a dispositivi di illuminazione;
- Qme: potenza termica entrante dovuta a dispositivi elettrici;
- Qp potenza termica rilasciata dalle persone (influenzerà anche il carico latente);
- Qv: potenza termica dovuta all’infiltrazione di aria esterna (influenzerà anche il carico latente);
- Qs: potenza termica “in uscita” verso il suolo.
Il Metodo Carrier-Pizzetti
Il metodo Carrier, aggiornato dall’Italiano Carlo Pizzetti alla fine degli anni ’80, consente di valutare i carichi termici per trasmissione ed irraggiamento attraverso i componenti opachi e finestrati e i carichi termici per ventilazione.
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