Calcolo del calorifero: come calcolare la potenza dell'apparecchio per il riscaldamento dell'aria

I termoventilatori hanno un'elevata produttività, quindi con il loro aiuto è possibile riscaldare anche ambienti molto grandi in un tempo relativamente breve. Sono disponibili molti modelli di questi apparecchi, che funzionano con diversi fluidi termovettori.

Per scegliere l'opzione ottimale, è necessario il calcolo del termoventilatore, che può essere effettuato manualmente o utilizzando un calcolatore online. Vi aiuteremo a comprendere la questione dei calcoli – in questo articolo forniremo un esempio di calcoli che saranno necessari per scegliere l'apparecchio adatto per il riscaldamento dell'aria.

E considereremo anche le caratteristiche costruttive dei diversi tipi di termoventilatori, i vantaggi e gli svantaggi del sistema di riscaldamento con l'uso di tali apparecchi.

Pro e contro del riscaldamento con termoventilatore

Il sistema di riscaldamento domestico basato sull'immissione di aria riscaldata alla temperatura impostata direttamente in casa, è di particolare interesse per i proprietari di abitazioni.

Tale struttura del sistema di riscaldamento è composta dai seguenti componenti importanti:

• termoventilatore, che funge da generatore di calore, riscaldando l'aria;
• canali (condotti d'aria) attraverso i quali le masse d'aria riscaldata entrano in casa;
• ventilatore, che convoglia l'aria ben riscaldata in tutto il volume dell'ambiente.

I vantaggi di questo tipo di sistema sono molti. Tra questi vi sono l'elevato rendimento, l'assenza di elementi ausiliari per lo scambio termico come radiatori e tubi, la possibilità di integrarlo con il sistema di climatizzazione, e la bassa inerzia, per cui il riscaldamento di grandi volumi avviene molto rapidamente.

Per molti proprietari di case, uno svantaggio è che l'installazione del sistema è possibile solo contemporaneamente alla costruzione dell'abitazione stessa, rendendo impossibile ogni successiva modernizzazione.

Un altro svantaggio è la necessità di disporre di un'alimentazione di riserva e di effettuare una regolare manutenzione tecnica.

Il termoventilatore è semplice da installare e utilizzare, economico, ma soprattutto è un dispositivo efficace per riscaldare l'ambiente. Nella foto, un termoventilatore ad acqua installato nell'impianto.

Sul nostro sito sono disponibili materiali più dettagliati sul sistema di riscaldamento ad aria per case e villette. Vi consigliamo di consultarli:

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Classificazione dei termoventilatori

I termoventilatori sono inclusi nel sistema di riscaldamento per riscaldare l'aria. Esistono i seguenti gruppi di questi dispositivi in base al tipo di fluido termovettore utilizzato: ad acqua, elettrici, a vapore, a fiamma.

I dispositivi elettrici hanno senso per ambienti con superficie non superiore a 100 m². Per edifici di grandi dimensioni, una scelta più razionale sono i termoventilatori ad acqua, che funzionano solo in presenza di una fonte di calore.

I più popolari sono i caloriferi a vapore e ad acqua. Sia i primi che i secondi, per forma della superficie, si dividono in 2 sottotipi: alettati e a tubo liscio. I caloriferi alettati, per geometria delle alette, possono essere a lamelle o a spirale avvolta.

La portata dei termoventilatori che utilizzano vapore come fluido termovettore viene regolata tramite valvole speciali installate sul tubo di ingresso.

Dal punto di vista costruttivo, questi dispositivi possono essere a passaggio singolo, quando il fluido termovettore si muove attraverso i tubi seguendo una direzione costante, e a passaggi multipli, nei coperchi dei quali sono presenti dei setti che fanno cambiare continuamente la direzione del fluido.

Sono disponibili 4 modelli di termoventilatori ad acqua e a vapore, che differiscono per l'area della superficie di riscaldamento:

• SM — la più piccola, con una fila di tubi;
• M — piccola, con due file di tubi;
• S — media, con tre file di tubi;
• B — grande, con quattro file di tubi.

I termoventilatori ad acqua sopportano ampie escursioni termiche durante l'esercizio — 70-110⁰. Per un buon funzionamento di questo tipo di termoventilatore, l'acqua che circola nell'impianto deve essere riscaldata al massimo fino a 180⁰. Durante la stagione calda, il termoventilatore può svolgere il ruolo di ventola.

Costruzione di diversi tipi di termoventilatori

L'aerotermo ad acqua per riscaldamento è composto da un involucro metallico, al cui interno è alloggiato uno scambiatore di calore costituito da una serie di tubi e un ventilatore. All'estremità dell'unità sono presenti i tubi di ingresso attraverso i quali viene collegato alla caldaia o al sistema di riscaldamento centralizzato.

Di solito, il ventilatore si trova nella parte posteriore dell'apparecchio. Il suo compito è quello di far passare l'aria attraverso lo scambiatore di calore.

Dopo il riscaldamento, attraverso la griglia situata sulla parte anteriore dell'aerotermo, l'aria ritorna nella stanza.

Il più delle volte l'involucro è di forma rettangolare, ma esistono modelli progettati per condotti di ventilazione a sezione circolare. Sulla linea di alimentazione vengono installate valvole a due o tre vie per regolare la potenza dell'unità.

Il ventilatore soffia sui tubi situati all'interno dell'aerotermo. Nei tubi scorre acqua calda proveniente dall'impianto di riscaldamento, e il ventilatore distribuisce uniformemente l'aria calda nella stanza.

Gli aerotermi si differenziano anche per il metodo di installazione: esistono modelli da soffitto e da parete. I modelli del primo tipo vengono posizionati dietro un controsoffitto, con solo la griglia che sporge. Gli apparecchi a parete sono più popolari.

Tipo #1 – termoventilatori a tubi lisci

La struttura a tubi lisci è costituita da elementi riscaldanti sotto forma di tubi sottili cavi con diametro da 20 a 32 mm, disposti a una distanza di 0,5 cm l'uno dall'altro. Al loro interno circola il fluido termovettore. L'aria, lambendo le superfici riscaldate dei tubi, si riscalda grazie allo scambio termico convettivo.

I tubi nell'aerotermo sono disposti a scacchiera o in linea. Le loro estremità sono saldate ai collettori, superiore e inferiore. Il fluido termovettore entra nella cassetta di distribuzione attraverso il tubo di ingresso, poi, passando attraverso i tubi e riscaldandoli, esce attraverso il tubo di uscita sotto forma di condensa o acqua raffreddata.

Una trasmissione del calore più stabile è garantita dagli apparecchi con disposizione a scacchiera dei tubi, ma la resistenza al flusso d'aria è maggiore. È necessario eseguire un calcolo della potenza dell'unità per conoscere le reali capacità del dispositivo.

All'aria vengono imposti determinati requisiti: non deve contenere fibre, particelle sospese o sostanze appiccicose. La polverosità consentita è inferiore a 0,5 mg/mᶾ. La temperatura in ingresso è di almeno 20⁰.

Aerotermi a un solo passaggio e a tre passaggi. 1 – tubo di ingresso attraverso cui entra il fluido termovettore, 2 – cassetta di distribuzione, 3 – tubo, 4 – tubo di uscita, 5 – divisorio.

Le caratteristiche termotecniche degli aerotermi a tubi lisci non sono molto elevate. Il loro utilizzo è opportuno quando non è richiesta una portata d'aria significativa e un riscaldamento a temperatura elevata.

Tipo #2 – aerotermi alettati

I tubi degli apparecchi alettati hanno una superficie alettata, pertanto la loro resa termica è maggiore. Con un minor numero di tubi, le loro caratteristiche termotecniche sono superiori rispetto agli aerotermi a tubi lisci.

Gli aerotermi a piastre includono tubi su cui sono montate piastre — rettangolari o circolari.

Il primo tipo di piastre viene montato su un gruppo di tubi. Il fluido termovettore passa nella cassetta di distribuzione dell'apparecchio attraverso un raccordo, riscalda l'aria che passa ad alta velocità attraverso canali di piccolo diametro, dopodiché esce dalla cassetta di raccolta attraverso un raccordo.

Gli aerotermi di questo tipo sono compatti, facili da manutenere e da installare.

Gli apparecchi a piastre a un solo passaggio sono designati: KFB, KFS, KVB, STD3009V, KZPP, K4PP, mentre quelli a più passaggi: KVB, K4VP, KZVP, KVS, KMS, STDZOYUG, KMB. Il modello medio ha la designazione KFS, mentre il grande ha KFB.

Sui tubi di questi aerotermi viene avvolta una lamiera d'acciaio ondulata larga 1 cm e spessa 0,4 mm. Il fluido termovettore può essere sia vapore che acqua.

Gli aerotermi ad acqua non possono essere collegati con tubi in metallo-plastica o polimerici poiché non sono progettati per l'alta temperatura del fluido termovettore. Sono necessari tubi in acciaio, preferibilmente zincati, per evitare la corrosione.

Il primo è dotato di tre file di tubi, il secondo di quattro. Le piastrine del modello medio hanno spessore 0,5 mm e dimensioni 11,7 x 13,6 cm. Le piastre del modello grande, dello stesso spessore e larghezza, si distinguono per una lunghezza maggiore — 17,5 cm.

Le piastre si trovano a una distanza di 0,5 cm l'una dall'altra e hanno una disposizione a zigzag, mentre nei modelli di tipo medio le piastre sono disposte secondo il principio a corridoio.

Gli aerotermi con marcatura STD hanno 5 numeri (5, 7, 8, 9, 14). Negli aerotermi STD4009V il fluido termovettore è il vapore, mentre nello STD3010G è l'acqua. Il montaggio dei primi viene eseguito con orientamento verticale dei tubi, dei secondi con orientamento orizzontale.

Tipo #3 – termoventilatori bimetallici con alettatura

Nei sistemi di riscaldamento con riscaldamento dell'aria, vengono spesso utilizzati modelli di aerotermi bimetallici KP3-SK, KP4-SK, KSk – 3 e 4 con un tipo speciale di alettatura — a spirale laminata. Il fluido termovettore per gli aerotermi KP3-SK, KP4-SK è acqua calda con pressione massima 1,2 MPa e temperatura massima 180°.

Per il funzionamento degli altri due aerotermi è necessario vapore con la stessa pressione di esercizio dei primi, ma con una temperatura leggermente superiore — 190°. I produttori effettuano obbligatoriamente prove di accettazione e collaudo. Testano gli apparecchi anche per la tenuta stagna.

Lo scambiatore di calore del calorifero KSK è costituito da tubi in acciaio con alette di alluminio. Le piastre tubiere li collegano.

Esistono due linee di caloriferi bimetallici: KSK3 e KPZ, con 3 file di tubi, appartengono ai modelli medi, mentre KSK4 e KP4 con 4 file di tubi appartengono ai modelli grandi. I componenti di questi dispositivi sono elementi di scambio termico bimetallici, pannelli laterali, griglie di tubi e coperchi con divisori.

L'elemento di scambio termico è composto da 2 tubi: uno interno del diametro di 1,6 cm, in acciaio, e su di esso è montato un tubo esterno in alluminio con alette. L'intervallo trasversale tra i tubi di scambio termico è di 4,15 cm, mentre quello longitudinale è di 3,6 cm.

Regole di calcolo e selezione dell'apparecchio adatto

Nella progettazione di un sistema di riscaldamento con uno o un gruppo di caloriferi, e nell'esecuzione dei calcoli, è necessario seguire una serie di regole. Le esamineremo in dettaglio nella galleria fotografica qui sotto.

Calcolo del termoventilatore ad acqua

Per calcolare la potenza di un calorifero ad acqua o a vapore sono necessari i seguenti parametri iniziali:

1. La portata del sistema, o in altre parole, la quantità di aria spostata all'ora. L'unità di misura della portata volumetrica è m³/h, quella della portata massica è kg/h. Il simbolo convenzionale è L.
2. Temperatura iniziale o esterna — t esterna.
3. Temperatura finale dell'aria — t fin.
4. Densità e capacità termica dell'aria a una temperatura specifica: i dati si ricavano dalle tabelle.

Innanzitutto si calcola l'area della sezione frontale del dispositivo di riscaldamento dell'aria. Conoscendo questo valore, si ottengono le dimensioni preliminari del gruppo con un margine.

Per il calcolo si utilizza la formula:

Af = Lρ / 3600 (ϑρ),

Dove L è la portata volumetrica dell'aria o la portata in m³/h, ρ è la densità dell'aria esterna misurata in kg/m³, ϑρ è la velocità massica dell'aria nella sezione calcolata, misurata in kg/(cm²).

Ottenuto questo parametro, per i calcoli successivi si prende la dimensione tipica del calorifero, la più vicina in termini di dimensioni. In caso di un valore finale grande dell'area, si installano in parallelo più unità identiche, la cui area totale è uguale al valore ottenuto.

Con il termine caloriferi non si indicano solo i dispositivi per lo scambio termico, ma anche i raffreddatori d'aria che funzionano a base di acqua fredda, i quali godono di molta meno popolarità.

Per determinare la potenza necessaria per riscaldare un determinato volume d'aria, è necessario conoscere la portata totale dell'aria riscaldata in kg per 1 ora secondo la formula:

G = L × p,

Dove p è la densità dell'aria nelle condizioni di temperatura media. La si determina sommando le temperature all'ingresso e all'uscita dell'unità, quindi dividendo per 2. I valori della densità si prendono dalla tabella.

Da questa tabella si possono prendere i dati sulla densità e sul calore specifico dell'aria a una determinata temperatura per calcolare la potenza dell'apparecchio.

Ora si può calcolare il consumo di calore per il riscaldamento dell'aria, per il quale si applica la seguente formula:

Q (W) = G × c × (t fin. – t iniz.),

Dove G – la portata massica dell'aria in kg/h. Si tiene conto nel calcolo anche del calore specifico dell'aria misurato in J/(kg × K). Dipende dalla temperatura dell'aria in ingresso, e i suoi valori sono nella tabella sopra. La temperatura all'ingresso dell'apparecchio e all'uscita sono indicate rispettivamente con t iniz. e t fin..

Supponiamo di dover selezionare un calorifero con una portata di 10 000 m³/h, in modo che riscaldi l'aria a 20° con una temperatura esterna di -30°. Il fluido termovettore è acqua, con una temperatura all'ingresso dell'unità di 95° e 50° all'uscita.

Portata massica dell'aria: G = 10 000 m³/h × 1,318 kg/m³ = 13 180 kg/h.

Valore della densità: ρ = (-30 + 20) = -10, dividendo questo risultato a metà si ottiene -5. Dalla tabella è stata selezionata la densità corrispondente alla temperatura media.

Sostituendo il risultato ottenuto nella formula, si ottiene il consumo di calore: Q = 13 180 /3600 × 1013 × 20 – (-30) = 185 435 W. Qui 1013 è il calore specifico, selezionato dalla tabella alla temperatura – 30° in J/(kg × K). Alla potenza calcolata del calorifero si aggiunge un margine dal 10 al 15%.

Il motivo è che i parametri tabulati spesso differiscono da quelli reali in diminuzione, e la prestazione termica dell'unità, a causa dell'ostruzione dei tubi, diminuisce nel tempo. Il superamento del valore del margine non è desiderabile.

Con un aumento significativo della superficie di riscaldamento può verificarsi un sottoraffreddamento, e persino uno scongelamento durante le grandi gelate.

Nel calorifero a vapore, il fluido termovettore viene introdotto dall'alto, mentre l'acqua risultante dalla condensazione del vapore esausto viene scaricata dal basso. La foto mostra lo schema di collegamento del calorifero a vapore.

La potenza dei caloriferi a vapore viene calcolata allo stesso modo di quelli ad acqua. Cambia solo la formula per il calcolo del fluido termovettore:

G = Q / r,

Dove r è il calore specifico liberato durante la condensazione del vapore, misurato in kJ/kg.

Calcolo del termoventilatore elettrico

I produttori nei cataloghi dei caloriferi elettrici spesso indicano la potenza installata e la portata d'aria, semplificando notevolmente la scelta. L'importante è che i parametri non siano inferiori a quelli indicati nel libretto, altrimenti l'apparecchio si guasta rapidamente.

La struttura del calorifero comprende diversi elementi riscaldanti elettrici speciali, la cui superficie è aumentata mediante la pressatura di alette su di essi.

La potenza degli apparecchi può essere molto elevata, a volte centinaia di kilowatt. Fino a 3,5 kW il calorifero può essere alimentato da una presa a 220 V, mentre per tensioni superiori è necessario il collegamento con un cavo separato direttamente al quadro elettrico. Se è necessario utilizzare un calorifero con potenza superiore a 7 kW, sarà necessaria un'alimentazione a 380 V.

Questi apparecchi hanno dimensioni e peso ridotti, sono completamente autonomi e non richiedono la presenza di un sistema centralizzato di acqua calda o vapore.

Un notevole svantaggio è la bassa potenza, insufficiente per l'uso in ampi spazi. Il secondo svantaggio è l'elevato consumo di energia elettrica.

Dal calcolo del calorifero risulta che l'uso dell'apparecchio porta a un notevole risparmio di risorse energetiche. A volte questo apparecchio viene abbinato a un recuperatore e quindi la presa d'aria avviene non dall'esterno, ma dall'interno del locale.

Per conoscere la corrente assorbita dal calorifero si può utilizzare la formula:

I = P /U,

Dove P è la potenza, U è la tensione di alimentazione.

Nel collegamento monofase del calorifero, U si considera pari a 220 V. Nel collegamento trifase, a 660 V.

La temperatura fino alla quale un calorifero di una determinata potenza riscalda la massa d'aria viene determinata con la formula:

T =2.98 x P/ L,

Dove L è la portata del sistema. I valori ottimali di potenza del calorifero per una casa sono compresi tra 1 e 5 kW, mentre per gli uffici tra 5 e 50 kW.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Quale densità dell'aria considerare nel calcolo è spiegato in questo video:

Video su come funziona il calorifero nell'impianto di riscaldamento:

Nella scelta di un determinato tipo di calorifero, è necessario basarsi su considerazioni di opportunità e sulle caratteristiche operative della casa.

Per superfici ridotte, un acquisto azzeccato sarà un calorifero elettrico, mentre per riscaldare una casa grande è meglio scegliere un'altra opzione. In ogni caso, non si può fare a meno di un calcolo preliminare.

È ben informato sulla scelta e il calcolo del calorifero? Forse desidera condividere utili consigli sulla scelta del riscaldatore d'aria o segnalare un errore o un'inesattezza nei calcoli del materiale sopra esaminato? Lasci il suo commento sotto questo articolo – la sua opinione potrebbe essere utile a chi sta cercando il calorifero adatto per la propria casa.