Università di Roma – Tor Vergata
Facoltà di Ingegneria – Dipartimento di Ingegneria Industriale
Corso di:
“TERMOTECNICA 1”
IMPIANTI DI RISCALDAMENTO AD ACQUA:
GENERALITÀ E COMPONENTI
Ing. G. Bovesecchi
[email protected]
06-7259-7127 (7249)
Anno Accademico 2012-2013
Impianti di riscaldamento ad acqua
Sono gli impianti che mantengono determinate condizioni negli
ambienti in presenza di un carico termico verso l’esterno (cessione
di calore verso l’esterno). Vengono perciò utilizzati
prevalentemente in inverno.
Il riscaldamento può essere:
  diretto (stufe e camini);
  indiretto (il calore generato in una caldaia viene ceduto ad un
fluido intermedio, acqua , vapore, o aria, che poi riscalda gli
ambienti).
La potenza termica che gli impianti devono fornire è pari alla
somma dei carichi termici che sono:
  carico di dispersione, cioè la cessione di calore verso l’esterno;
  carico di ventilazione, dovuto all’aria esterna che si infiltra
dall’esterno, e che deve essere scaldata.
Impianti di riscaldamento ad acqua
Se il riscaldamento è ottenuto per immissione di aria calda (caso
degli impianti ad aria), il carico di ventilazione non è necessario
perché è già soddisfatto dall’impianto stesso.
IMPIANTI AD ACQUA CALDA
Vi è un circuito chiuso in cui l’acqua dal generatore arriva tramite
tubi ai corpi scaldanti.
Ci sono diverse tipologie, corrispondenti a diverse modalità di
circolazione dell’acqua:
  impianto con circuito a due tubi, i tubi sono differenti per
mandata e ritorno. Il vantaggio è che l’acqua arriva alla
massima temperatura a tutti i corpi scaldanti; lo svantaggio è il
numero elevato di tubazioni e un difficile bilanciamento (i
percorsi per i diversi corpi scaldanti possono essere molto
differenti);
Impianti di riscaldamento ad acqua
CS1
CS2
CS3
CS4
G
  Impianti a ritorno inverso: sono analoghi a quelli precedenti, i
ritorni convergono su di un tubo sino allo scambiatore più
distante, da cui parte il ritorno verso il generatore. Sono quasi
automaticamente bilanciati, perché la lunghezza di tutti i tratti
di mandata e ritorno è all’incirca uguale, ma richiedono tre tubi.
CS1
CS2
CS3
CS4
G
Impianti di riscaldamento ad acqua
  Quando l’ultimo corpo scaldante è situato vicino al generatore,
l’impianto assume un altro aspetto, e si chiama ad anello. In tale
caso non si ha più l’inconveniente dei tre tubi.
CS1
CS2
G
CS4
CS3
  Impianto ad un solo tubo, i corpi scaldanti sono in serie. Il
vantaggio è che è semplice e poco costoso. Lo svantaggio è che
i singoli corpi scaldanti non ricevono la stessa temperatura di
mandata, e quindi vanno dimensionati in modo opportuno
CS1
CS2
CS3
CS4
G
Impianti di riscaldamento ad acqua
  L’impianto può anche essere realizzato come circuito
parzialmente in parallelo ottenendo una temperatura più
uniforme ma la superficie di scambio deve essere maggiorata
perché la portata è inferiore.
CS1
CS2
CS3
CS4
G
Impianti ad acqua – Componenti
CALDAIE
Sono principalmente a tubi di fumo.
Dati caratteristici di una caldaia sono:
  potenza resa all’acqua;
  potenza di combustione;
  contenuto d’acqua;
  pressione di esercizio;
  dimensioni e peso.
Il rendimento varia tra 0,7 (piccole caldaie a pieno carico) e 0,85
(grosse caldaie).
Potenza resa all'acqua
Rendimento =
Potenza di combustione
Impianti ad acqua – Componenti
Per legge la potenza delle caldaie per impianti di riscaldamento
non deve essere superiore al carico termico, o meglio al
coefficiente volumico per il volume lordo riscaldato per la
differenza di temperatura tra esterno e interno (Te-Ti).
Non si deve tener conto nel progetto dell’acqua calda sanitaria se
il carico è superiore a 58 kW. Se è inferiore l’acqua calda può
essere calcolata e inserita nel progetto separatamente. In tale
ultimo caso la potenza resa all’acqua risulta la somma del carico
di riscaldamento e dell’acqua sanitaria.
Se la potenza è superiore a 350 kW si possono istallare 2 caldaie
in parallelo, in modo da limitare le perdite a basso regime (basso
carico).
Le pressioni massime di esercizio sono di 4÷5 atm per le caldaie in
acciaio e 8÷9 atm per quelle in ghisa.
Impianti ad acqua – Componenti
CORPI SCALDANTI (RADIATORI O TERMOSIFONI)
Sono degli scambiatori di calore con circolazione interna di acqua
calda.
La differenza di temperatura tra ingresso e uscita nel corpo
scaldante è in genere scelta in 10°C, per ottimizzarne le
prestazioni. Considerata la piccola differenza di temperatura tra
ingresso e uscita dell’acqua rispetto alla grande differenza tra
temperatura dell’acqua e dell’aria (da 70÷90°C a 20°C), anziché la
differenza di temperatura media logaritmica utilizzata in genere
negli scambiatori di calore si può utilizzare la differenza tra la
temperatura media aritmetica dell’acqua tra ingresso e uscita, e la
temperatura dell’aria.
Il flusso termico assume quindi la forma:
Q = Ucs Acs (Tm,ac − Ta )
Impianti ad acqua – Componenti
Il flusso termico fornito dal corpo scaldante, dal lato del fluido
caldo, cioè l’acqua, vale:

Q = mc
(T − T )
c.s.
p,ac
i,ac
u,ac
dove la differenza di temperatura è, come detto, circa 10°C.
Il coefficiente di scambio globale vale:
Uc.s. =
1
1
Z
+ R' p +
hac
ha
con hac coefficiente di scambio convettivo dell’acqua, in
convezione forzata, e Z rapporto tra l’area interna (lambita
dall’acqua) ed esterna (lambita dall’aria) del corpo scaldante. ha è
il coefficiente di scambio convettivo dell’aria (in convezione
naturale).
Impianti ad acqua – Componenti
Una relazione che tiene conto che la resistenza termica maggiore
tra quelle riportate a denominatore della formula precedente è
quella dovuta alla convezione naturale dell’aria, è la seguente :
n

Qc.s. = C (Tm,ac − Ta )
dove n vale tra 1,25 e 1,30. e C è una costante specifica del corpo
scaldante, fornita tra i dati del costruttore (tiene conto anche
dell’area effettiva di scambio). Il motivo dei valori dell’esponente
n sta nelle relazioni empiriche utilizzate per determinare hac: per
la convezione naturale l’esponente che si trova in tali relazioni
varia tra 0,25 per il moto laminare e 0,33 per quello turbolento. Il
moto dell’aria che lambisce i corpi scaldanti nelle condizioni
generali di utilizzo è praticamente sempre laminare.
Impianti ad acqua – Componenti
I corpi scaldanti possono essere ad elementi o a piastre. Gli
elementi sono modulari e possono essere in ghisa, alluminio o
acciaio. Le piastre sono in alluminio o acciaio.
Oltre ai dati di cui sopra (C e n) spesso può essere data la resa
nominale Q RN, flusso termico quando (Tm,ac − Ta ) = 60°C .
In condizioni differenti si avrà:
n
⎛T −T ⎞
Q cs = QRN ⎜ mac a ⎟ .
⎝ 60 ⎠
Impianti ad acqua – Componenti
TUBAZIONI
Sono in rame o acciaio (a volte in plastica). In rame si piegano più
facilmente e si possono anche giuntare a freddo o a bassa
temperatura. In acciaio costano meno, ma vanno saldate con
fiamma ossiacetilenica. Sono inoltre più soggette a corrosione. Per
il dimensionamento si utilizzano le formule viste per le perdite di
carico concentrate e distribuite già viste.
La velocità dell’acqua si fa in modo che sia è compresa tra 0,3m/s
(per trascinare l’aria che si infiltra nei condotti sino ai punti
previsti per lo spurgo) e 1,5 m/s (per evitare una rumorosità troppo
elevata dell’impianto).
Impianti ad acqua – Componenti
VASO D’ESPANSIONE
serve ad evitare le sovra-pressioni nell’impianto per effetto della
dilatazione termica quando l’acqua viene scaldata. Può essere di
tipo aperto o chiuso.
!
Impianti ad acqua – Componenti
Se è aperto deve essere nella posizione più alta dell’impianto.
Deve avere un troppo pieno e spesso è inserito all’interno di esso
il condotto di alimentazione, con una valvola di chiusura collegata
con un galleggiante. Se β è il coefficiente di dilatazione cubica e C
il volume dell’impianto, β ⋅C ⋅80°C è il volume dell’espansione
dell’acqua (ci si aspetta un riscaldamento da 10°C, minimo di
temperatura, a 90°C, massimo). Per sicurezza il volume totale del
vaso di espansione deve essere circa 3 volte questo valore. Una
relazione empirica tra il volume del vaso di espansione e la
potenza dell’impianto è:
V = 1, 5 Pi10 −3 [l ]
con Pi in ⎡⎣ kcal h ⎤⎦
Impianti ad acqua – Componenti
Tale relazione si ottiene considerando che il contenuto medio
d’acqua dell’impianto è 15 l per ogni 1000 kcal/h , che la
dilatazione da 10°C a 90°C è del 3,5% , e il volume del vaso è 3
volte il volume di dilatazione.
Se è chiuso può essere posto in qualsiasi punto del circuito. È un
volume che contiene un gas che si comprime quando aumenta la
temperatura dell’acqua. La pressione è pertanto variabile (tra
quella idrostatica nel punto in cui è mandata l’acqua più 3 m H2O
per sicurezza) fino alla pressione massima tollerata dall’organo più
debole dell’impianto (deve esserci quindi una valvola di sicurezza
che si apre quando la pressione supera questo valore).
Può essere di due tipi: con il gas separato dall’acqua (vaso a
membrana) o a contatto con l’aria.
Impianti ad acqua – Componenti
Vaso chiuso a membrana
La pressione iniziale (pi) ed il volume del vaso (V) sono noti
perché il vaso è già, fornito precaricato. Il gas utilizzato è in
genere N2. La compressione del gas è isoterma per cui
dall’equazione dei gas perfetti:
V f p f = Vi pi
Essendo:
V − V f = β C 80
Impianti ad acqua – Componenti
Dove C è la capacità dell’impianto, sostituendo si ottiene:
Vi pi
= β C 80
V−
pf
E quindi:
β C 80
V=
pi
1−
pf
Vaso chiuso senza membrana
Impianti ad acqua – Componenti
V pa = V f p f = Vi pi
⎛ 1
1 ⎞
Vi − V f = β C 80 = paV ⎜ −
⎟⎟ ⇒
⎜p
⎝ i pf ⎠
β C 80
⇒V =
⎛ 1
1 ⎞
pa ⎜ −
⎜ pi p f ⎟⎟
⎝
⎠
Impianti ad acqua – Componenti
POMPA
questo componente è previsto solo per gli impianti a circolazione
forzata.
Sono di tipo centrifugo ad azionamento elettrico. Per ogni pompa
esiste la curva caratteristica Δp = f ( m ac ), con parametro il numero
di giri al minuto di rotazione n. Il rendimento della pompa è
definito come:
Leff
Δp V Δp v m
η=  =  =
L
L
Ldisp
Dove:
v = volume specifico massico,
Δp = prevalenza ed
L = potenza.
Leff è la potenza meccanica effettivamente resa all’acqua
Impianti ad acqua – Componenti
Ldispè la potenza meccanica che la pompa ha disponibile (se il
motore elettrico avesse rendimento unitario sarebbe la potenza
elettrica consumata).
Impianti ad acqua – Componenti
L’impianto d’altra parte possiede una sua curva caratteristica
Δp = f ( m acq ) che ha un andamento all’incirca parabolico (come
visto precedentemente le perdite di carico dipendono dalla
velocità, e quindi dalla portata, con un esponente che varia tra 1,75
e 2).
Dall’intersezione della curva caratteristica della pompa e di quella
dell’impianto si ha il “punto di funzionamento”. E’ meglio
chiaramente che il punto di funzionamento si trovi in una zona del
piano dove il rendimento è maggiore, e da tale considerazione si
effettua la scelta della pompa sulla base della sua curva
caratteristica, fornita insieme alla documentazione tecnica. Se
nell’impianto si vuole diminuire la portata, si può ad esempio
chiudere parzialmente una valvola aumentano le perdite di carico.
Pertanto il punto di funzionamento si sposta da A ad A’.
Impianti ad acqua – Componenti
Però così si aumenta la prevalenza (e quindi la potenza e l’energia
spesa). Anziché utilizzare le valvole di strozzamento è preferibile
se è possibile ridurre il numero di giri della pompa ottenendo il
nuovo punto di funzionamento A”, in quanto ci si muove in zone a
rendimento della pompa maggiore.
Δp
m
Impianti ad acqua – Componenti
Δp
A’
.
A
A”
m
Impianti ad acqua – Componenti
Se l’impianto è di dimensioni notevoli, e sono previste due pompe
in parallelo, la diminuzione di portata si può ottenere chiudendo
una delle due pompe. Generalmente nel circuito è istallata anche
una pompa di riserva, in modo tale da poter effettuare, ad esempio,
la manutenzione su una delle pompe mantenendo in esercizio
l’impianto.
Impianti ad acqua – Componenti
SFIATI D’ARIA
Sono tratti del percorso in cui l’aria contenuta nell’acqua
dell’impianto e trascinata dalla corrente (se la velocità è maggiore
di 0.3 m/s) si raccoglie per poter essere eliminata. Negli impianti a
vaso di espansione aperto si fa in modo che l’aria arrivi al vaso di
espansione, dove è eliminata automaticamente. Negli impianti a
vasi di espansione chiuso si mettono degli allargamenti delle
tubazioni (bottiglie di sfiato) che permettono di far uscire l’aria
manualmente o automaticamente. In genere i corpi scaldanti hanno
uno sfiato manuale sulla sommità.
Impianti ad acqua – Componenti
CENTRALI TERMICHE
sono i locali dove sono istallati gli impianti. Devono soddisfare a
certi requisiti di dimensioni, isolamento termico delle pareti,
posizione e ingresso/uscita rispetto all’esterno e ventilazione del
locale che dipendono sia dal tipo di combustibile che dalla potenza
termica installata (secondo la normativa).
SISTEMI DI SICUREZZA E CONTROLLO
Esistono norme predisposte ad evitare la possibilità di ebollizione
dell’acqua, o, se l’ebollizione avviene, a scaricare all’esterno il
vapore formatosi. Tali norme impongono l’installazione di
termostati o di valvole che regolano la pressione (pressostati).