energia e calore per il benessere degli ambienti Piercarlo ROMAGNONI Dorsoduro 2206 30123 Venezia 041 257 12 93 pierca@iuav.it Design e apparecchi energetici: stufe I corpi scaldanti: termosifoni Termosifoni in ghisa I corpi scaldanti: termosifoni Termosifoni in acciaio I corpi scaldanti: termosifoni Termosifoni in alluminio I corpi scaldanti Termosifoni in acciaio Design termosifoni ventilconvettori sottopavimento Installazione incassata Impianti a aria: i terminali Diffusori a bassa velocità Impianti ad aria: i terminali Sistemi speciali Calore e temperatura Due sistemi in equilibrio termico con un terzo sistema sono in equilibrio termico anche tra di loro. La temperatura di un sistema è quella sua proprietà che determina se esso sia o non sia in equilibrio termico con altri sistemi. Spesso si confonde l’energia (calore) con la temperatura La temperatura indica lo stato di agitazione delle molecole di un corpo. L’energia termica consente di aumentare (o diminuire) la temperatura di un corpo Caldo e freddo sono sensazioni!!! La temperatura Una scala di temperatura molto diffusa è quella Celsius o centigrada. In essa l’astronomo svedese A. Celsius (1701-1744) utilizzò le trasformazioni di stato dell’acqua come riferimento. In corrispondenza alla fusione dell’acqua alla pressione atmosferica (punto di fusione normale) assunse una temperatura pari a zero mentre in corrispondenza dell’ebollizione (punto di ebollizione normale) assunse una temperatura pari a 100. L’unità di misura è posta quindi pari a 1/100 dell’intervallo di temperatura tra il punto di fusione e il punto di ebollizione dell’acqua. Essa viene chiamata grado celsius, o centigrado, e indicata con [°C]. Un’altra scala, molto utilizzata in anglosassone, è invece quella Fahrenheit. ambiente Nella sua definizione, D. Fahrenheit (1686-1736) scelse come riferimenti la temperatura di solidificazione di una miscela di acqua, ghiaccio e sale d’ammonio (0°F) e la temperatura corporea di un individuo sano (96°F). Con tali assunzioni il punto di solidificazione normale dell’acqua corrisponde a 32°F e il punto di ebollizione normale a 212°F. temperatura B temperatura A t (°F ) − 32 t (°C ) = 1,8 t (°F ) = 1,8 t (°C ) + 32 termometri Il termometro a mercurio funziona grazie al fatto che molte sostanze (nella fattispecie il mercurio) all'aumentare della temperatura si espandono, quindi misurando quanto queste sostanze si espandono si può ricavare il valore della temperatura. Termometro a IR: Tutti gli oggetti sopra lo zero assoluto di temperatura vengono costantemente inviati nello spettro IR nello spazio circostante. Oggetto della valutazione dell’entità di radiazione infrarossa è la sua distribuzione di lunghezza d’onda – e la sua temperatura superficiale è un rapporto molto stretto. Pertanto, il misuratore a IR, misurando l’energia della radiazione infrarossa, consente di determinare con precisione la temperatura di superficie. L’energia infrarossa colpisce la cellula fotoelettrica e trasforma l’energia ricevuta in corrispondenti segnali elettrici. I segnali, attraverso l’amplificatore e la trasformazione del circuito del segnale, e il trattamento in conformità con lo strumento tramite un algoritmo di calcolo, riportano il valore di temperatura corretta dell’oggetto misurato Il calore è energia? “In un processo ciclico le quantità di calore e di lavoro scambiate tra sistema ed ambiente, prese ognuna con il segno convenuto, sono uguali”. il principio di conservazione dell’energia; l’equivalenza come forme di energia di calore e lavoro; l’esistenza di una grandezza di stato, detta energia interna Corrente forzata q Vento artico T∞ Igloo Ta Aria componenti elettronici Φp Lp Aria T∞ Ts,p Ls Tsup Ls Ts,s Ls La trasmissione del calore I meccanismi di trasmissione del calore Il calore è l’energia trasmessa da un corpo ad un altro in virtù di una differenza di temperatura. Dall’osservazione dei fenomeni termici, è possibile mettere in evidenza il fatto che lo scambio termico tra due corpi o tra parti di uno stesso corpo, aventi temperatura diversa, può avvenire secondo tre diversi meccanismi di trasmissione detti rispettivamente: - Conduzione, quando lo scambio si ha tra due porzioni di materia a diversa temperatura ed in assenza di moto; - Convezione, quando si ha contatto tra i corpi interessati allo scambio di calore e almeno uno è costituito da un fluido in movimento; - Irraggiamento, quando non si ha contatto diretto tra corpi Contrastare o favorire il flusso di calore: ¾ Conduzione – il gas ha conducibilità bassa: aria 0,026 W/(m K), l’alluminio sui 50 W/(m K) ¾ Convezione – Scambio con gas e aria I gas nobili hanno bassa mobilità e limitano la convezione (es. nelle interfaccia dei vetri) Aumentare la velocità del fluido ¾ Irraggiamento – le superfici con bassa emissività scambiano poca energia Superfici più estese scambiano più calore ε1, T1 ε1>ε2 T1≠T2 Il modello del corpo nero 2000 100 1800 90 70 1200 60 1000 Relative Sensitivity of Human Eye 800 600 Blackbody Radiation (right scale): 200 30 0 oC 20 o -50 C 0 0.1 1.0 10.0 Wavelength (μm) 40 o 50 C 400 50 10 0 100.0 2 1400 Intensity (W/m /μm) 80 Solar Radiation (left scale) Extraterrestrial Surface (1.5 atm) 2 Intensity (MW/m /μm) 1600 Applicazione del primo principio confine del sistema H2O Riscaldare una massa m di acqua Nel caso specifico si possono fare le seguenti considerazioni: - il sistema non scambia lavoro meccanico con l'ambiente esterno - il sistema scambia calore con l’ambiente esterno - il sistema s non cambia la sua posizione - non cambia la sua velocità Q = m ⋅ c ⋅ (T2 − T1 ) Q La produzione del calore: la combustione Per una caldaia, il concetto di rendimento è inteso come rapporto tra potenza utile fornita al fluido termovettore sulla potenza teorica erogabile dal combustibile Superficie di Confine del Sistema Fumi Combustibile Calore disperso ECH Aria comburente QD Generatore di calore QF Fluido in uscita Fluido in ingresso Combustione Il metano CH4, in presenza di O2, fornisce la seguente reazione: CH4 + 2 O2 Î CO2 + 2 H2O + calore in cui CO2 e H2O sono i prodotti della combustione. Nell’aria è presente anche l’azoto N2, che non interviene nella reazione: per ogni volume di O2 sono presenti 7,52 volumi di altri gas (prevalentemente N2). La reazione diviene: CH4 + 2 O2 + 7,52 N2 Î CO2 + 2 H2O + 7,52 N2 + calore ovvero in totale 9,52 m3 di aria per ogni m3 di metano. Misura dell’energia: chimica (combustione) Petrolio, metano e carbone 1 kWh = 860 kcal 1 TEP = 10.000.000 kcal = 11.600 kWh 1 barile [bbl] = 42 US gallons = 0,153 m3 Pci, carbone = 7000 kcal/ kg = 8,14 kWh/kg Pci, petrolio = 10180 kcal/ kg = 11,6 kWh/kg Pci, metano = 8900 kcal/m3 = 10,35 kWh/m3 1000 Sm3 (di Metano) = 0,876 TEP 1000 kg (di Petrolio) = 1 TEP Rendimento della caldaia Q& N = Potenza utile della caldaia Q& S = Potenza dispersa dal rivestimento (caldaia in funzione) Q& A = Potenza dispersa dai fumi = Potenza al focolare = H ⋅ B Q& Br u B = portata oraria di combustibile [m 3 / h] H u = potere calorifero del combustibile [kWh / m3 ] Q& N η = Q& Br Il generatore di calore: caldaia a basamento, gruppi termici Scarico condensa Il generatore di calore: teste di combustione Problemi dei bruciatori tradizionali - scarsa penetrazione dell’ossigeno (e conseguente formazione di CO) - inadeguato tempo di reazione (allontanamento degli incombusti) - eccessiva temperatura di reazione che attiva la formazione di NOx in reazioni secondarie Bruciatori a matrice ceramica - matrice porosa Æ ottima penetrabilità dei gas di combustione - basse emissioni - resistenza strutturale - assenza di fiamma Bruciatori ceramici Bruciatori ceramici Materiali Schiuma di carburo di Silicio e una struttura mista di fibre di Al2O3, schiuma di ZrO2 e strutture di C/SiC. Questi materiali possono essere usati fina a 1650°C In alcune applicazioni posso usare leghe di Fe- Cr- Al e Nichel La Zirconia resiste fino a 2300°C le leghe metalliche fino a 1250 °C Colore Temperatura [°C] Amaranto pallido 480 Amaranto 525 Rosso sangue 585 Rosso scuro 635 Rosso 675 Rosso chiaro 740 Rosso pallido 845 Rosa 900 Arancione 940 Giallo 995 Giallo pallido 1080 Bianco 1205 Azzurro 1400 Il colore della fiamma è un ottimo indicatore della composizione chimica di una sostanza: sottoposta a spettroscopia, la luce della fiamma rivela una serie di righe spettrali caratteristiche delle molecole e degli elementi contenuti nel gas. Questo fenomeno è stato ampiamente studiato ed è da tempo parte delle procedure standard di analisi chimica qualitativa. L’energia si manifesta in forme diverse, ognuna delle quali con caratteristiche proprie e qualità diverse. Qualità dell’energia è la sua capacità di trasformarsi RIFLETTERE Valgono più 100 J di energia elettrica o 100 J di energia termica a 1000 K (con temperatura ambiente a 300 K) ? Cosa posso realizzare con 100 J termici ? W& rev = ηCarnot Q&1 LE MACCHINE TERMICHE Il secondo principio della termodinamica Kelvin-Planck “E’ impossibile costruire una macchina, operante secondo un processo ciclico, che trasformi in lavoro tutto il calore estratto da una sorgente a temperatura uniforme e costante nel tempo”. “E’ impossibile operare una qualsivoglia trasformazione termodinamica ciclica il cui unico risultato sia la trasformazione in lavoro di tutta l'energia termica estratta da una sorgente a temperatura uniforme e costante nel tempo”. Clausius “E’ impossibile costruire una macchina operante secondo un processo ciclico il cui unico risultato sia il trasferimento di calore da un corpo a bassa temperatura ad un corpo a temperatura superiore” “E’ impossibile operare una qualsiasi trasformazione ciclica il cui unico risultato sia il trasferimento di energia termica da un corpo a temperatura inferiore ad un corpo a temperatura superiore” Lo schema di funzionamento Sorgente di calore 1 Sorgente di calore 1 T1 T1 Q1 Q1 L L T1>T2 Q2 T2 Sorgente di calore 2 macchina termica Q2 T1>T2 T2 Sorgente di calore 2 macchina frigorifera Il rendimento termico di una macchina termica: è il rapporto tra l’energia/potenza resa disponibile (utile) e l’energia/potenza utilizzata per la trasformazione Eutile ηt = Ein Nel caso di un motore a combustione interna: Eutile = Perogata Ein = Pcombustibile Dall’enunciato di Clausius, è possibile definire un indice di prestazione del frigorifero come il rapporto tra l’effetto ottenuto (il calore prelevato dalla sorgente a bassa temperatura, q2) e l’energia spesa per ottenerlo (la potenza meccanica fornita alla macchina, Pm). Più precisamente si parla di coefficiente di prestazione (COP) della macchina frigorifera il quale corrisponde al rapporto definito dalla relazione: q2 q2 COPfrigorifero = = Pm q1 − q2 Alcuni paragoni … Attività umana Pmax = 800 W Pmedia = 50 W e produce a riposo circa 20 l/h di CO2 Televisore P = 80 W Motore auto P = 80 kW Lavatrice (classe A) P = 800 W Per far crescere una mucca servono 3500 litri di petrolio (1 litro di petrolio ≈ 1 kWh) Un pro memoria… I fattori di conversione La temperatura da °C a °F: da °C a K: l’energia [°F] = 1,8 · [°C] + 32 [K] = [°C] + 273,15 1 kWh = 3,6 MJ 1 kcal = 4186,8 J la potenza meccanica 1 CV = 735,5 W 1 HP = 746 W
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