RISCALDAMENTO

RISCALDAMENTO (XXIX, p. 409)

Negli ultimi dieci anni perfezionamenti notevoli e vere e proprie innovazioni sono stati apportati per i sistemi di riscaldamento, sia per quanto riguarda la produzione del calore, sia per il suo trasporto e distribuzione a distanza e per la cessione agli ambienti da riscaldare. Si è andata sempre più accentuando, soprattutto nei paesi a larga produzione industriale, la tendenza a centralizzare gl'impianti, producendo il calore in una centrale unica per interi quartieri o addirittura per città. Gli impianti attualmente più estesi sono quelli di New York (1500 milioni di Cal/ora, con 65 km. di rete di distribuzione); di Mosca (400 milioni di Cal/ora, con 60 km. di rete); di Parigi (240 milioni di Cal/ora, con 32 km. di rete).

L'economia di combustibile, realizzabile con la produzione centralizzata del calore ha fatto sì che tale sistema si diffondesse largamente in molti paesi, soprattutto in relazione a particolari difficoltà di approvvigionamento di combustibile. La centralizzazione è stata particolarmente favorita soprattutto nei paesi in cui l'energia elettrica viene prodotta in centrali termiche, perché in tal caso il calore può essere ottenuto abbinando la sua produzione a quella dell'energia elettrica, con notevole economia complessiva di combustibile (turbine a contropressione, condensazione a stadî applicata alle turbine a vapore, reimpiego del calore ceduto dalle turbine a gas). Ma anche nei paesi ricchi di risorse idriche la centralizzazione della produzione del calore permette una notevole economia di esercizio (dell'ordine del 30-40%) per quanto riguarda il consumo di combustibile ed è stata favorita da diversi fattori, che hanno consentito di diminuire il costo di esercizio degl'impianti e conseguentemente d'incrementare i consumi.

Per quanto riguarda il bilancio economico del sistema centralizzato di produzione del calore, posto a raffronto di quello per unità dislocate presso gli utenti, esso è, in genere, a favore del sistema centralizzato, e lo è tanto più quanto maggiori sono le richieste di calore, che vanno aumentando durante l'esercizio, mentre le quote degli oneri fissi annuali restano invariate.

Contemporaneamente alla tendenza suaccennata di centralizzazione si è andato affermando, soprattutto in America, un orientamento opposto, avente lo scopo di dare ad ogni ambiente un minuscolo impianto (unit heaters), atto non solo a riscaldarlo, ma altresì a fornire le condizioni più desiderabili per il benessere degli occupanti, durante qualsiasi stagione (v. ventilazione, in questa App.).

Produzione del calore. - Per quanto riguarda la produzione del calore, si va affermando un nuovo sistema che prende talvolta il nome di riscaldamento termodinamico, in quanto il calore ottenuto è quello sottratto al condensatore di una macchina funzionante secondo il ciclo delle macchine refrigeranti (v. termopompa, in questa App.). L'effetto utile riscaldante di tali macchine è tanto maggiore, a parità di altre condizioni, quanto più bassa è la temperatura del fluido nel condensatore. Poiché però il condensatore funziona da caldaia per l'impianto di riscaldamento (che, in genere, è a termosifone), ne risulta l'opportunità d'impiego delle termopompe quando è possibile cedere il calore agli ambienti da riscaldare a temperatura bassa, vicina cioè a quella desiderata negli ambienti stessi. Per tale ragione negl'impianti di riscaldamento termodinamico le termopompe sono in genere accoppiate con i sistemi a pannelli radianti di cui si fa cenno in seguito.

La produzione urbana centralizzata del calore a mezzo di termopompe è conveniente in tutti i casi dove non sia possibile accoppiare la produzione di calore a quella di energia elettrica, in quanto quest'ultima sia ottenuta mediante risorse idriche. Invece nei paesi in cui la produzione di energia elettrica è ottenuta a mezzo di centrali termiche, ad essa viene abbinata la produzione di calore più convenientemente mediante l'impiego di turbine a contropressione, per le quali la temperatura del vapore nel condensatore è sufficientemente elevata così da consentire l'utilizzazione del calore da esso ceduto per alimentare l'impianto di riscaldamento.

L'impianto, rappresentato schematicamente in fig. 1, è costituito essenzialmente da una caldaia G, da una turbina a contropressione T, da un condensatore-scambiatore di calore C e da una pompa di alimentazione P. In impianti di tal genere è minore il lavoro ottenuto per kg. di fluido circolante nella macchina (e quindi l'energia elettrica prodotta, se la macchina a vapore è accoppiata ad un generatore elettrico), ma la macchina fornisce contemporaneamente al lavoro meccanico, che si trasforma in energia elettrica, calore, che viene impiegato per riscaldamento. Tali tipi di cicli consentono di ottenere una economia complessiva di combustibile, rispetto alla produzione separata di energia elettrica e di calore, che può avvicinarsi al 40% e superarlo. Inoltre, nelle ore in cui vi è minore richiesta di energia elettrica, è possibile produrre più calore, in modo da accumularlo ed impiegarlo all'atto della richiesta. In generale il rendimento complessivo dell'impianto è tanto più elevato quanto più bassa è la temperatura che può essere mantenuta nel condensatore, quella cioè a cui può essere utilmente fornito il calore all'impianto di riscaldamento: conviene quindi, anche in questo caso, impiegare il sistema di riscaldamento a pannelli radianti. È anche usato il sistema di riscaldare l'acqua di ritorno, che è a bassa temperatura, entro due o più condensatori (C₁, C₂, in fig. 2) in cui regnano pressioni crescenti: in tal caso l'espansione del vapore avviene per stadî successivi (condensazione a stadî applicata alle turbine a vapore).

Anche nel caso della forza motrice prodotta a mezzo di turbine a gas è possibile provvedere al recupero del calore disperso, utilizzandolo per impianti centralizzati di riscaldamento (fig. 3). L'acqua impiegata in tali impianti viene preriscaldata nel passaggio attraverso i refrigeranti (R₁, R₂) interposti tra i varî stadî del compressore (K) ed in seguito portata alla temperatura desiderata in uno scambiatore di calore (S) che i gas prodotti dalla combustione attraversano dopo essere stati utilizzati in un economizzatore (E) per preriscaldare l'aria compressa destinata alla combustione.

Trasporto del calore. - Progressi notevoli sono stati compiuti anche per quanto riguarda il trasporto del calore a distanza, sia mediante l'impiego di vapore acqueo surriscaldato, sia di acqua ad alta temperatura e a pressione superiore a quella atmosferica.

Quest'ultimo sistema, che si è notevolmente sviluppato in alcuni paesi d'Europa, è impiegato in modo particolare per il riscaldamento di ambienti industriali, in cui i corpi riscaldati possono essere portati ad alta temperatura allo scopo di provocare riscaldamenti localizzati. Aumentando la pressione e quindi la temperatura dell'acqua sino a circa 150° C, diminuisce il diametro delle tubazioni a parità di quantità di calore trasportata rispetto ai normali tipi a termosifone, mentre non si hanno gli inconvenienti che sorgono con le reti in distribuzione percorse da vapore. Gli impianti ad alta temperatura risultano elastici, nel senso che, essendo ridotta la quantità di acqua di circolazione, è più facile adeguare la produzione di calore alla richiesta e ottenere una regolazione efficiente. Rispetto alle reti percorse da vapore, si evita la applicazione di scaricatori automatici e di altri accessorî, mentre è completamente eliminata la corrosione delle tubazioni dovuta al vapore. La circolazione dell'acqua è in genere ottenuta mediante una pompa. La pressione può essere mantenuta a mezzo di una pompa o di un serbatoio di aria compressa, posto in testa all'impianto, o più generalmente a mezzo del vapore che si genera nella caldaia in cui l'acqua è riscaldata, e che è raccolto al disopra del corpo della caldaia stessa. Acqua e vapore saturo sono naturalmente in equilibrio.

Cessione del calore agli ambienti da riscaldare. - Si è largamente sviluppato negli ultimi anni il sistema del riscaldamento per irraggiamento, o a pannelli radianti.

Come è noto il sistema più diffuso, fino ad alcuni anni or sono, per cedere calore agli ambienti era quello dei cosiddetti radiatori, nei quali la trasmissione di calore avveniva per convezione ed irraggiamento, ma soprattutto per convezione. Erano anche sviluppati, particolarmente per uso industriale, i cosiddetti termoconvettori, in cui è del tutto preponderante la trasmissione per convezione. Il riscaldamento per irraggiamento invece è basato sulla possibilità di cedere calore ai corpi da riscaldare soprattutto per irraggiamento, riducendo l'entità della trasmissione per convezione dovuta all'aria, con conseguente possibilità di mantenerne più bassa la temperatura.

Negli ambienti riscaldati, in inverno (temperatura dell'aria 20° C, umidità relativa 50%), in assenza di correnti d'aria e con soggetti normalmente vestiti, il corpo umano cede calore all'ambiente all'incirca nelle seguenti proporzioni: a) 47% per irraggiamento; b) 27% per convezione; c) 26% a mezzo respirazione. Se la temperatura dell'ambiente diminuisce, gli scambî di calore tendono ad aumentare e l'organismo è chiamato a supplire alle maggiori erogazioni.

È possibile in tal caso ristabilire l'equilibrio tornando ad aumentare la temperatura dell'aria ambiente (e diminuendo perciò in modo particolare la quantità di calore b scambiata per convezione tra corpo e ambiente) con i sistemi tradizionali di riscaldamento a mezzo di radiatori o termoconvettori, ma è anche possibile agire sulla quantità di calore a ceduta per irradiazione, e ciò con maggiore efficacia, in quanto tale quantità di calore è circa doppia dell'altra. Ora, come è noto, gli scambî di calore per irraggiamento tra il corpo e l'ambiente dipendono dalla differenza tra la temperatura del corpo stesso e quella delle pareti delimitanti l'ambiente e degli oggetti in questo contenuti. Provvedendo a riscaldare una di tali pareti, che a sua volta riscalderà le altre, saranno ostacolati gli scambî di calore per irraggiamento tra organismo umano ed ambiente. Se la parete riscaldata è il soffitto, questo cederà poco calore all'aria ambiente per convezione; l'aria si manterrà relativamente fresca e le condizioni realizzate avranno una certa somiglianza con quelle che si verificano quando l'organismo umano è esposto ai raggi solari in montagna. Oltre al soffitto, però, la parete direttamente riscaldata può essere anche una parete verticale o il pavimento; in tal caso aumentano gli scambî di calore per convezione con l'aria dell'ambiente. Per un ambiente di abitazione, di dimensioni medie normali, nei diversi casi gli scambî avvengono circa nelle seguenti proporzioni:

Pertanto, se il pannello radiante che riscalda l'ambiente è costituito dal soffitto, i moti convettivi dell'aria sono ridotti al minimo, si evitano quindi le correnti ascendenti calde e discendenti fredde e il conseguente trasporto di particelle solide e di polvere; diminuiscono le perdite per trasmissione con l'esterno in relazione alla diminuita temperatura dell'aria ambiente; è possibile ricambiare sovente l'aria senza variare notevolmente le condizioni di benessere degli occupanti.

Vantaggi ancora maggiori presenta il riscaldamento a pannelli radianti nel caso di grandi ambienti (chiese, officine, hangar, stazioni ferroviarie, ecc.). In tal caso è in generale opportuno che i pannelli radianti siano costituiti dal pavimento del locale o da superfici prossime alla zona occupata dalle persone; si ottiene con ciò un riscaldamento locale con notevole economia di calore, anche malgrado la frequente apertura di porte che mettono in comunicazione l'ambiente riscaldato con l'esterno, in quanto gli occupanti, continuamente investiti dalle radiazioni ultrarosse, sono sottratti agli effetti spiacevoli determinati da notevoli variazioni di temperatura dell'aria. È possibile in tal caso ottenere una buona distribuzione del calore in tutta la zona occupata, sino a circa tre metri di altezza, mentre le temperature si mantengono più basse nella zona alta del locale in cui sono maggiori le perdite e nessuna l'utilizzazione.

Il sistema attualmente più diffuso per ottenere delle superfici radianti a bassa temperatura (40°÷50° per i soffitti ed ancor meno per i pavimenti) è quello di disporre, nell'interno dei solai o delle murature perimetrali degli ambienti o al disotto dei pavimenti (fig. 4), tubi di acciaio o di rame percorsi da un fluido riscaldante (per lo più acqua). I tubi, dopo la posa in opera, vengono incorporati nelle strutture murarie stesse. Gli impianti funzionano in genere a termosifone, a circolazione naturale o accelerata. La sorgente di calore può essere una caldaia ad acqua calda; se la produzione è centralizzata e il fluido addetto al trasporto del calore dalla centrale termica ai varî edifici riscaldati è il vapore d'acqua, questo cede il suo calore di condensazione in ogni edificio all'acqua calda dell'impianto a pannelli radianti in appositi scambiatori di calore.

Gl'impianti di riscaldamento a pannelli radianti presentano, allo stato attuale, una forte inerzia termica e un conseguente lungo periodo d'avviamento, perché la massa da riscaldare per portare l'impianto a regime è molto notevole. Essi non si prestano pertanto molto bene in tutti quei casi in cui sia richiesta molta elasticità di funzionamento (cinema, teatri, ecc.) anche perché ne risulta difficoltosa la regolazione per adeguare le condizioni di funzionamento dell'impianto sia alle variazioni di temperatura esterna, sia alle diverse richieste di calore, che si determinano nell'interno degli ambienti soprattutto in relazione alle variazioni del numero delle persone che li occupano.

Riscaldamento nell'industria. - Si suddivide in diretto e indiretto; il riscaldamento diretto è quello in cui non vi è alcuna separazione tra sorgente termica, o tra i prodotti della combustione, e il materiale che deve essere riscaldato, mentre nel secondo caso, che è il più frequente, l'apporto di calore dalla fonte termica al materiale da riscaldare avviene per mezzo della trasmissione attraverso una parete solitamente metallica (quella di un recipiente, di una caldaia, di un tubo, ecc.). Il riscaldamento diretto viene effettuato in quei casi in cui né l'alta temperatura né i prodotti della combustione alterano le caratteristiche e le proprietà del materiale che viene riscaldato. Esempî di riscaldamento diretto si riscontrano nei forni per la produzione della calce, dove il coke viene preventivamente mescolato al calcare, nella preparazione dei cementi, nell'industria siderurgica e metallurgica, dove sono richieste alte temperature per le riduzioni degli ossidi, l'arrostimento dei solfuri, le fusioni dei metalli, le operazioni di forgiatura e i trattamenti termici degli acciai; altre importanti lavorazioni nelle quali si riscontrano riscaldamenti diretti, sono quelle dell'alluminio e del carburo di calcio. In alcune delle operazioni citate, e particolarmente nelle ultime due, il riscaldamento è fatto a mezzo di forni elettrici ad arco o a resistenza. Altri frequenti esempî di riscaldamento diretto con energia elettrica si hanno sfruttando l'effetto Joule: nei forni a resistenza elettrica il calore viene trasmesso quasi totalmente per irradiazione.

In certe apparecchiature di catalisi - per l'ammoniaca sintetica, per il metanolo, per l'idrogenazione - si hanno delle resistenze regolabili a diretto contatto coi gas reagenti che devono essere portati ad una conveniente temperatura di reazione: in queste applicazioni una buona parte del calore è trasmessa per convezione.

Il riscaldamento indiretto coi prodotti della combustione si attua bruciando in un forno il combustibile e portando poi i fumi prodottisi a contatto delle pareti metalliche dell'apparecchiatura che contiene il materiale da riscaldare. Poiché una delle maggiori preoccupazioni nelle operazioni termiche è il risparmio di combustibile, occorre inviare nel forno la minima quantità di aria comburente praticamente possibile, tale però che assicuri una combustione perfetta e conferisca ai fumi una temperatura conveniente. Ora, l'eccesso di aria necessario a soddisfare le condizioni indicate è sempre superiore per i combustibili solidi che per quelli gassosi; inoltre i combustibili fluidi presentano maggiore facilità di accensione e di regolazione. Le caldaie a vapore elettriche rappresentano un esempio di riscaldamento indiretto quando il calore è prodotto da resistenze immerse nell'acqua ma protette da una guaina; di riscaldamento diretto quando è prodotto dalla resistenza offerta dall'acqua al passaggio di corrente tra elettrodi immersi.

Si hanno frequenti operazioni termiche nelle quali si ricorre a veicoli del calore: uno di questi, di largo impiego, è il vapore prodotto nella centrale termica; esso presenta, oltre il grande vantaggio della facile regolabilità, un elevato coefficiente di trasmissione, dato che viene utilizzato alla temperatura di condensazione, ritenuta adatta per quella determinata operazione. In molti impieghi si usa vapore a bassa pressione, intorno a 1,5-2 atm. ass., cui corrispondono temperature di condensazione di 110°÷120°; eccezionalmente si arriva a 15 atm., cioè a 197° di temperatura di condensazione; in ogni caso vi è convenienza a produrre il vapore a pressione alta, 40-60 e più atm., e sfruttare il salto di pressione in una turbina a contropressione, collegata a un alternatore che fornisce energia elettrica.

Quando è necessario raggiungere temperature più alte di quelle ora indicate (180° nel materiale riscaldato) sfruttando le stesse caratteristiche del riscaldamento a vapore (impianto termico centrale, elevata trasmissione, regolabilità, temperatura mite nel fluido apportatore di calore) si ricorre a determinate frazioni di olî minerali; queste possono essere riscaldate, senza alterarsi, sino a circa 300° in un forno tubolare e con una pompa distribuite tra i diversi impianti utilizzatori; l'olio raffreddato ritorna in ciclo chiuso, al forno a riscaldarsi. A differenza del vapore, in questo caso si trasmette il calore vivo e non quello latente. Un altro trasportatore termico di recente impiego è il Dowtherm, o ossido di difenile; esso trasmette le sue calorie latenti in modo analogo al vapor d'acqua e, date le sue caratteristiche, può cedere calore a 370° con pressioni di esercizio modeste.

L'economia del calore nell'industria non è soltanto limitata ai buoni rendimenti di combustione, ma è estesa alla cura particolare dell'isolamento termico delle apparecchiature calde, al ricupero di calore dai diversi materiali, soprattuttto dai fluidi che lo contengono e che devono essere raffreddati; ciò si realizza coi ricuperatori o scambiatori o rigeneratori di calore.

Vi sono recenti sistemi di riscaldamento e di essiccamento di sostanze solide basati su un aumento uniforme della temperatura della massa: si tratta dei sistemi a induzione ad alta frequenza, molto adottati in metallurgia e di altri, realizzati mediante raggi infrarossi, applicati specialmente nel riscaldamento di resine da stampaggio e nell'essiccazione rapida delle vernici. Il riscaldamento uniforme che si riscontra con quest'ultimo sistema evita le alterazioni nei materiali solidi dovuti a eccessivi riscaldamenti e a differenze di temperatura nella massa in trattamento; inoltre, i riscaldamenti sono rapidi e i rendimenti termici elevati.