Perché la forma del condotto è importante
Dimensionamento dei condotti: area, perimetro e attrito
Ogni condotto HVAC è un tubo che trasporta aria condizionata dall'unità di trattamento dell'aria agli ambienti che serve. La capacità del flusso d'aria di un condotto dipende da una sola cosa: area della sezione trasversale.
CFM = Area x Velocità: questa è l'equazione fondamentale. CFM è piedi cubi al minuto. L'area è la sezione trasversale del condotto in piedi quadrati. La velocità è la velocità dell'aria in piedi al minuto.
Ma l'area non è tutta la storia. Il perimetro del condotto determina quanto la superficie contro cui l'aria strofina. Più perimetro significa più attrito, il che significa più caduta di pressione, il che significa che il ventilatore deve lavorare più duramente.
Un condotto rotondo di 12 pollici ha un'area della sezione trasversale di pi x 6² = 113,1 pollici quadrati. Il suo perimetro è pi x 12 = 37,7 pollici.
Un condotto rettangolare di 14" x 8" ha un'area di 14 x 8 = 112 pollici quadrati: quasi identico. Ma il suo perimetro è 2(14 + 8) = 44 pollici: il 17% di superficie di attrito in più per la stessa capacità di flusso d'aria.
Questo spiega perché i condotti rotondi sono più efficienti. Il cerchio ha il rapporto perimetro-area più basso di qualsiasi forma. In termini HVAC: i condotti rotondi producono meno perdita di attrito per CFM consegnato.
Calcolo dell'area del condotto
Un sistema HVAC residenziale deve fornire 400 CFM a una camera da letto. La velocità di progettazione è di 600 piedi al minuto.
Gittata, diffusione ed effetto Coanda
Come l'aria si muove attraverso una stanza
Una volta che l'aria condizionata esce dal condotto, entra nella stanza attraverso una griglia di regolazione o un diffusore. La geometria di come quell'aria si muove determina se la stanza è confortevole o ha zone calde e fredde.
La gittata è la distanza che l'aria percorre dal diffusore prima che la sua velocità scenda sotto 50 FPM (piedi al minuto). Un diffusore a soffitto in una stanza di 20 piedi ha bisogno di una gittata sufficiente per raggiungere la parete opposta.
La diffusione è la larghezza del modello di aria. Un diffusore a fessura lineare crea un modello piatto e ampio. Un diffusore a soffitto rotondo crea un modello radiale.
Le griglie di mandata creano modelli di aria conici o a forma di ventaglio: l'aria spinge verso l'esterno in una forma geometrica definita. Le griglie di ritorno creano zone di aspirazione sferiche: l'aria viene aspirata da tutte le direzioni in modo uguale. Questo è il motivo per cui le griglie di ritorno possono essere posizionate quasi ovunque in una stanza.
L'effetto Coanda: l'aria in movimento tende a seguire le superfici vicine. L'aria soffiata attraverso un soffitto vi si attaccherà, viaggiando molto più lontano dell'aria soffiata nello spazio aperto. Questo è il motivo per cui i diffusori montati a soffitto funzionano così bene: l'aria abbraccia il soffitto, attraversa la stanza, quindi scende dalla parete opposta. La geometria del soffitto diventa parte del sistema di distribuzione dell'aria.
Comprensione della distribuzione dell'aria
Una sala conferenze è lunga 30 piedi con un diffusore montato a soffitto ad una estremità. L'aria di mandata esce dal diffusore a 700 FPM.
Alette, tubi e area della superficie
Il trasferimento di calore è un problema di area della superficie
La serpentina dell'evaporatore in un condizionatore d'aria o una pompa di calore è dove il calore trasferisce effettivamente tra l'aria e il refrigerante. La velocità del trasferimento di calore dipende da tre cose: la differenza di temperatura, la conduttività termica del materiale e l'area della superficie.
Non puoi facilmente cambiare la differenza di temperatura (è impostata dal ciclo del refrigerante) o la conduttività (il rame e l'alluminio sono già ottimi conduttori). Quindi gli ingegneri HVAC massimizzano l'area della superficie.
Una serpentina dell'evaporatore è realizzata con tubi di rame con sottili alette di alluminio pressate su di essa. Le alette sono fogli sottili: in genere 0,006 pollici di spessore: spaziati da 8 a 20 alette per pollice.
Più alette per pollice = più area della superficie = più trasferimento di calore. Ma c'è un compromesso geometrico: più alette significa anche passaggi d'aria più stretti tra di esse, il che aumenta la resistenza dell'aria e riduce il flusso d'aria.
A 8 alette per pollice, il flusso d'aria è facile ma l'area della superficie è limitata. A 20 alette per pollice, l'area della superficie è enorme ma la serpentina soffoca il flusso d'aria. La maggior parte dei sistemi residenziali utilizza 12-14 alette per pollice come punto di equilibrio.
Questo è un problema di geometria pura: come impacchi l'area massima della superficie in un volume dato mantenendo una sezione trasversale aperta sufficiente per il passaggio dell'aria?
Compromesso dell'area della superficie
Una serpentina dell'evaporatore residenziale ha alette distanziate a 14 alette per pollice. Ogni aletta è spessa 0,006 pollici. La faccia della serpentina è larga 20 pollici e alta 18 pollici.
Proprietà dell'aria come geometria
Il diagramma psicrometrico: una mappa geometrica dell'aria
Il diagramma psicrometrico è uno degli strumenti più importanti in HVAC. Sembra complicato, ma è davvero solo una rappresentazione geometrica delle proprietà dell'aria.
Asse X: Temperatura a bulbo secco: quello che legge un termometro normale.
Asse Y (lato destro): Rapporto di umidità: la massa effettiva di vapore acqueo per massa di aria secca (grani di umidità per libbra di aria secca).
Linee curve: Umidità relativa. La curva 100% RH è la linea di saturazione: l'aria non può contenere più umidità oltre questa curva. Le curve RH inferiori si arcuano sotto di essa.
Ogni punto del diagramma rappresenta uno stato d'aria unico. Se conosci due proprietà qualsiasi (temperatura a bulbo secco, temperatura a bulbo umido, umidità relativa, punto di rugiada, entalpia), puoi individuare il punto esatto e leggere tutte le altre proprietà.
I processi HVAC sono percorsi geometrici su questo diagramma:
- Riscaldamento sensibile (fornace): sposta a destra lungo una linea orizzontale: la temperatura aumenta, il rapporto di umidità rimane costante.
- Raffreddamento sensibile (sopra il punto di rugiada): sposta a sinistra lungo una linea orizzontale.
- Raffreddamento e deumidificazione (tipico A/C): sposta a sinistra E verso il basso: la temperatura scende e l'umidità si condensa.
- Umidificazione: sposta verso l'alto: aggiunta di umidità a temperatura costante.
- Raffreddamento evaporativo (raffreddatore a evaporazione): sposta a sinistra e verso l'alto lungo una linea di bulbo umido costante: la temperatura scende ma l'umidità aumenta.
Tracciamento dei processi HVAC
Considera una giornata estiva: l'aria esterna è a 95 gradi F a bulbo secco, umidità relativa del 50%. Vuoi condizionare questa aria a 75 gradi F, umidità relativa del 50% per il comfort interno.