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acorso di TECNICA DEL FREDDO

corso di laurea magistralein INGEGNERIA MECCANICA

Dr. Giovanni Di NICOLAa.a. 2010/11

MAGAZZINI FRIGORIFERI

Materiale didattico a diffusione interna,distribuzione gratuita.

Ultimo aggiornamento 27/09/2010

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MAGAZZINI FRIGORIFERIclassificati in base:• funzione occupata nella catena del

freddo;• materiale conservato

Magazzini frigoriferi/introduzione

CELLE FRIGORIFERE• le pareti hanno anche funzione

strutturale;• destinate a conservazioni di breve o

brevissima durata (settimane o giorni)

strutture deputate al ricovero e alla conservazione di derrate alimentari e/o merci varie in ambienti a temperatura (e umidità relativa) programmata e controllata

volume <500 m3

>500 m3

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hanno una capienza di

500÷1.000 m3

suddivisa in genere tra più celle

hanno in genereuna capienza di 5.000÷30.000 m3

e possono essereadibiti sia alla

conservazione perlunghi periodi, sia

come centri diraccolta con rapida

rotazione della merce,a seconda delle esigenze di

mercato

Introduzione/2

magazzini per la conservazione a lungo termine

hanno in genere una capienza di

30.000÷60.000 m3

suddivisa incelle di

10.000÷20.000 m3

( 40x40x10)

funzione occupata nella catena del freddo

magazzini al servizio degli

stabilimenti di produzione

magazzini di deposito

territoriale o regionale

magazzini locali

le dimensioni, in genere, sono minori delle prime due categorie e

molto variabili a seconda del

tipo di stabilimento

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a gli ortofrutticoli

freschi respirano e traspirano e

pertanto bisogna

controllare anche la

composizione dell’atmosfera

livello di temperatura

Introduzione/3

magazzini per la conservazione di PRODOTTI FRESCHI

materiale conservato

magazzini per la conservazione di PRODOTTI CONGELATI

E/O SURGELATI

livello di temperatura

-25÷-40°C0÷10°C

per i prodotti freschi esistono diverse temperature e

umidità per una conservazione

ottimale; è necessaria pertanto una

suddivisione dello spazio in più celle con

regolazione indipendente

occorre controllare

anche il livello di

i surgelati si conservano alla

stessa temperatura e

non si influenzano a vicenda con odori; ciò ha

reso convenienti celle fino a 100.000 m3

UMIDITA’RELATIVA

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il sistema di movimentazioneprevede carrelli a forche,traslatori a carrello, gru a ponte

lo stivaggio viene effettuato per mezzo di scaffalature capaci di alloggiare ilPALLET standard(100x120 cm)

Dimensioni

volume• dipende dal tipo e dalla quantità di prodotto da

conservare• la densità di stivaggio viene ottimizzata tenendo conto

delle necessità di una agevole movimentazione e dell’utilizzo dello spazio

200÷300 kg.m-3valori medi di densità di stivaggio

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in questi casi bisogna prestareparticolare attenzione al carico statico sull’unità di superficie del pavimento

laddove si utilizzano sistemi dicarico e scaricoCOMPLETAMENTEAUTOMATIZZATIsi è arrivati ad

Dimensioni/2

altezza• è di solito calcolata per permettere l’accatastamento di 3

o 4 pallets (6÷9 m)• occorre prevedere inoltre lo spazio per una corretta

circolazione d’aria (2÷3 m)

9÷12 maltezze

20÷25 maltezze

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pannelli SANDWICHdi isolante

telaio in ferro o cemento armato precompresso

magazzinifrigoriferi

Costruzionecelle frigorigere

Costruzione prefabbricataautoportante

<500 m3

strutture che utilizzano la prefabbricazione,

costituite da

>500 m3

telaio INTERNOall’isolante

telaio ESTERNOall’isolante

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eliminazione dei ponti termici verso le fondazioni

Costruzione/2

VANTAGGI

speciali accorgimenti per sospendere il sandwich che forma il soffitto

telaio all’isolanteESTERNO

possibile uso di acciai normali

facile installazione dei pannelli che proteggono l’isolamento dalle intemperie e dalla radiazione solare

facile lavaggio delle pareti interne dell’isolamento

SVANTAGGI

speciali accorgimenti per sospendere tubazioni ed evaporatori

dilatazioni differenziali tra struttura esterna e pannelli sandwich

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le strutture possono essere usate per scaffalature

Costruzione/2

VANTAGGI

sono i vantaggi dell’altro metodo

telaio all’isolanteINTERNO

sono necessari minori punti di ingresso per cavi e tubazioni attraverso l’isolamento

il costo è minore

SVANTAGGI

questa alternativa èquella oggi

PREFERITA

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le superfici esterne del pannello sandwich hannofunzione sia protettiva che strutturale

Isolamento

ridurre il flusso termico tra esterno ed interno

ilPANNELLO SANDWICHè costituito da due superfici esterne impermeabili al vapore d’acqua contenenti all’interno il materiale isolante

la funzione dell’isolamento è quella di:

eliminare il flusso di vapore tra esterno ed interno

Test=30°CURest=60%psat,est=4.246 kPapvap,est=2.548 kPa

Test

Tint

Tint=-20°CURest=90%psat,int=0.104 kPapvap,est=0.094 kPa

MMAATTEERRIIAALLEE FFIINNIITTUURRAA AAPPPPLLIICCAAZZIIOONNIIllaammiieerraa ddii aacccciiaaiioo zziinnccaattaa ssoolloo ppeerr eesstteerrnniillaammiieerraa ddii aacccciiaaiioo zziinnccaattaa ee

pprreevveerrnniicciiaattaappeerr iinntteerrnnii eedd

eesstteerrnniillaammiieerraa ddii aacccciiaaiioo zziinnccaattaa ee

pprreeppllaassttiiffiiccaattaassoolloo ppeerr iinntteerrnnii,,

aanncchheeiiggiieenniiccaammeenntteeiimmppeeggnnaattiivvii

llaassttrraa iinn ppoolliieesstteerreerriinnffoorrzzaattoo ccoonn ffiibbrraaddii vveettrroo

ffiinniittuurraa iinnggeell--ccooaatt

aalliimmeennttaarree

ppeerr eesstteerrnnii eeiinntteerrnnii,, aanncchheeiiggiieenniiccaammeennttee

ccrriittiicciillaammiieerraa ddii aacccciiaaiiooiinnoossssiiddaabbiillee

ssuuppeerrffiicciissaattiinnaattee

ppeerr iinntteerrnniiiiggiieenniiccaammeennttee

ccrriittiiccii

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i pannelli vengono uniti conun profilato di lamiera irrigidito da nervature;nell’intercapedine tra i profilati viene espanso in situ del poliuretano e il bullone non costituisce ponte termico perché si avvita su una bussola di plastica; l’impermeabilità al vapore è completata da una guarnizione interposta nelle zone di contatto tra pannelli e profilati di unione

le superfici esterne del PANNELLO SANDWICH esercitano una ottima funzione di

si tende a realizzare le pareti con ilminor numero possibile di GIUNTI INTERMEDI

Isolamento/2dimensioni comuni dei pannelli sandwich

i GIUNTI NTERMEDI costituiscono quindi la parte più critica

larghezza:1250 mm altezza:

fino a 12000 mm

BARRIERA AL VAPORE

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questa è una possibile soluzione:un tirante di acciaio supporta i pannelli sandwich tramite una spina di legno

la tenuta viene assicurata mediante applicazione di un elemento isolante

che è sigillato con mastice

Soffitto quando si ha

l’installazione del SOFFITTO ISOLANTE può diventare critica

telaio all’isolanteESTERNO

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il flusso termico per unitàdi superficie in pianta è ingenere molto piccolo, anchein assenza di isolamento,e diminuisce al cresceredella superficie

si tratta di risolverel’equazione generale della conduzione in REGIME STAZIONARIO con le condizioni al

contorno

PavimentoB

la situazione è molto diversa per

magazzini a temperatura NEGATIVA

magazzini a temperatura POSITIVA A

0zT

yT

xTT 2

2

2

2

2

22 =

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂=∇ t2>t3>t1

t2>t3>t1

t2

t3

t1

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la maggior parte del flusso termico esce dai bordi

considerandoun flusso

termicomonodimensionale dalpavimento verso gli stratiprofondi del pavimento atemperatura costante nel tempo,questo sarebbepiccolissimo, dato che laresistenza termica di

parecchi metri di terreno è molto elevata

il flusso termico per unità di superficie in pianta è in genere molto piccolo, anche in assenza di isolamento, e diminuisce al crescere della superficie

Pavimento/2 magazzini a temperatura POSITIVA A

temperatura falda

10÷15°C

le isoterme sono più vicine

t2>t3>t1

t2

t3

t1

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nonconvieneisolare ilpavimentose non peruna fascialimitataallaperiferia

si verifica allora che per:tempo → ∞

ilflusso termico alla superficie di separazione → 0

nel caso teorico che descrive il comportamento del terreno all’incontro dei piani di simmetria che intersecano il pavimento, può essere trattato come monodimensionale

la classica soluzione del regime termico in un semispazio, inizialmente a temperatura uniforme e sottoposto a variazione a gradino dellatemperatura sulla superficie di separazione, dimostra che non esiste una situazione di regime stazionario, poiché la perturbazione tende a trasmettersi a strati sempre più profondi

in realtà, la condizione al contorno che prevede una temperatura costante ad una certa profondità nel terreno, è approssimata

Pavimento/3 magazzini a temperatura POSITIVA A

1.5 m

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in questo caso è utile isolare il pavimento, e la rientrata di calore si può calcolare in condizioni di regime stazionario

occorre realizzare uno scavo sotto il piano del pavimento, nel quale realizzare una intercapedine con circolazione d’aria

isolare, senza altri accorgimenti, non serve, dato che la caduta di temperatura nello spessore dell’isolante sarebbe piccola, poiché è piccolo il flusso termico

Pavimento/4il problema è quello di evitare ilcongelamento del terreno,che porterebbe a rigonfiamenti del pavimento, o peggio a scardinare la struttura se interessa la zona sotto ai plinti di fondazione

magazzini a temperatura NEGATIVA B

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tubi di aerazione in PVC da 200 mm con passo 300 mm

Pavimento/5 magazzini a temperatura NEGATIVA B

7 gettata di magrone sopra i tubi di aerazione

6 barriera al vapore, che deve risalire a vasca per tutto il pavimento; può essere di tipo bituminoso o in gomma

5 isolamento, posato in due strati con giunti sfalsati;deve possedere una adeguata resistenza a compressione

4 guaina in polietilene, sigillata con nastro adesivo in tutte le giunzioni e nell’incontro periferico con le pareti+RETE ELETTROSALDATA

3 soletta da raccordarsi con lo zoccolo di protezione dei pannelli da urti accidentali

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occorre installare sopra all’isolamento e alfoglio di polietilene unaRETE ELETTROSALDATA

i tubi di aerazione vanno annegati nel cemento e collegati a due collettori in testa, dotati di sfiati in ambiente;la circolazione dell’aria neitubi può essere forzata con

ventilatori, oppure si può riscaldare l’aria con resistenza elettriche inserite nei tubi

Pavimento/6

accatastando 3 o 4 pallets si arriva a carichi statici di

resistenza a compressione

2000 kg.m-2, o 200 kPa

l’isolante deve possedere almeno questa resistenza a compressione

magazzini a temperatura NEGATIVA B

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il carico trasmesso sulla superficie dell’isolante, per ciascuna ruota sarà:

•superficie di ciascuna ruota a contatto del massetto: 50x150 mm

•superficie proiettata a livello dell’isolante (regola della piramide): 350x450=1575000 mm2

carrello elevatore•peso a vuoto: 3000 kg•carico: 2000 kg•carico per ruota: 1250 kg

Pavimento/7occorre valutare anche seil pavimento e l’isolante sono in grado di resistereal carico dinamico rappresentato dai carrelli elevatori

resistenza a compressione

30050

350

150

massetto

isolante

si usa una regola empirica, laREGOLA DELLA PIRAMIDE

-21250 8000 kg m 78.5 kPa0.1575

⋅

90°

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devono garantire una perfetta tenuta a porta

chiusa, per mezzo di apposite guarnizioni perimetrali

nel caso di portescorrevoli, le

guide sonoconformate

in modo cheall’ultimo

momento laporta si accosti

alle pareti esi abbassi

la soglia deve essere a filo del pavimento per non ostacolare il passaggio: la tenuta si ottiene facendo in modo che la porta quando si avvicina alla posizione di chiusura, si abbassi

possiedono di solito lo stesso isolamento del resto della cella o magazzino

a scorrimento verticale

a scorrimento orizzontale

Porte isolatea cerniera

ad apertura AUTOMATICA

ad apertura MANUALE

porte

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si inserisce sia nelperimetro della porta

che in quello dellabattuta una resistenza

elettrica che si attiva automati-camente all’apertura della porta

stessa

nelle celle a temperatura NEGATIVA, se la porta è soggetta a condensazione, dopo le aperture la condensa può trasformarsi in ghiaccio, incollando la porta al telaio

Porte isolate/2

devono garantire una perfetta tenuta a porta chiusa, per mezzo di apposite guarnizioni perimetrali

per limitare i ricambid’aria durante l’apertura

delle porte si usano ingenere delle controportea due battenti in gomma,

mantenute chiuse da mollein modo che si aprano

al passaggio dei carrelli odelle persone e che si chiudano da sole

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accorgimenti:•lasciare le porte aperte durante la messa a regime

•si usano valvole ad apertura automatica o semplici aperture di equalizzazione

per•T1=298 K=25°C•T2=274 K=1°C•V1=10000 m3

• p1=101.325 kPa

è possibile valutare i ecoinvolti utilizzando l’equazione di stato dei gas ideali

Depressione all’avviamento

l’ermeticità delle porte può provocare all’interno delle celle delle depressioni quando si scende con la temperatura •le porte non si aprono più

•i pannelli isolanti si aprono o si deformano

tcosRTpV

=

Δp ΔV

3

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21121 m 805

TTVVVVV =−=−=Δ

kPa 16.8TTppppp

1

21121 =−=−=Δ

•differenza di pressione di intervento dei dispositivi automatici

•velocità di messa a regimeΔP=300 Pa

4 K/ora

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si tratta diMINIMIZZARE

la funzione costo del magazzino frigorifero in tutti quei contributi influenzati dallo spessore dell’isolante

Spessore ottimale di isolamento

esiste innanzitutto uno spessore minimo di isolamento necessario per evitare la condensa sul lato esterno, nonché una temperatura eccessiva sulla superficie interna che potrebbe scaldare le derrate per irraggiamento

oltre a ciò, lo spessore può essere

OTTIMIZZATOcon valutazioni di tipo economico

1 2 3C C C C [€]= + +

costo di investimento per l’isolante, C11C c A x= α ⋅ ⋅ ⋅

α coefficiente di ammortamento annuoc costo dell’isolamento, in opera, [€.m-3]x spessore dell’isolante, [m]A superficie di pannello isolante, [m2]

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α coefficiente di ammortamento annuob costo dell’impianto frigorifero

per unità di capacità frigorifera nominale, [€.W-1]ΔT differenza di temperatura tra esterno ed interno, [K]k conducibilità termica dell’isolante, [W.m-1 .K-1]x spessore dell’isolante, [m]A superficie di pannello isolante, [m2]

Spessore ottimale di isolamento/2costo di investimento per l’impianto frigorifero, C2

2kC b A Tx

= α ⋅ ⋅ ⋅ Δ ⋅

1 2 3C C C C [€]= + +

ΔT differenza di temperatura tra esterno ed interno, [K]

k conducibilità termica dell’isolante, [W.m-1 .K-1]x spessore dell’isolante, [m]A superficie di pannello isolante, [m2]COP efficienza dell’impianto frigoriferie costo dell’energia, [€.Wh-1 ]h numero di ore di funzionamento annue, [h]

costo di esercizio, C3

3k 1C A T e hx COP

= ⋅ Δ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

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semplificazioni:• il coefficiente di ammortamento

annuo è uguale sia per l’isolante che per l’impianto frigorifero

• il costo dell’energia elettrica ècostante nel tempo

Spessore ottimale di isolamento/3

costo di investimento per l’impianto frigorifero, C2

2kC b A Tx

= α ⋅ ⋅ ⋅ Δ ⋅

costo di esercizio, C3

3k 1C A T e hx COP

= ⋅ Δ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

il valore ottimale di si ottiene minimizzando la funzione costo

x

dC 0dx

=

costo di investimento per l’isolante, C1

1C c A x= α ⋅ ⋅ ⋅

spessore isolante [cm]5 10 15 20 25

funz

ione

cos

to [€

]C

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Spessore ottimale di isolamento/4

2kC b A Tx

= α ⋅ ⋅ ⋅ Δ ⋅

3k 1C A T e hx COP

= ⋅ Δ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

il valore ottimale di si ottiene minimizzando la funzione costo

xdC 0dx

=

1C c A x= α ⋅ ⋅ ⋅

spessori adottati nella pratica:3÷4 cm

per ogni 10°C di ΔT

1T k e h bCOPx

c

⎛ ⎞Δ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + α ⋅⎜ ⎟⎝ ⎠=

α ⋅

spessore isolante [cm]5 10 15 20 25

funz

ione

cos

to [€

]

C

C1

C2

C3 21 1c T k e h b 0

COPx⎛ ⎞α ⋅ − ⋅ Δ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + α ⋅ =⎜ ⎟⎝ ⎠