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DIZIONARIO TECNICO

Armacell Italia S.p.A. · Via Venezia, 4 · Trezzano Rosa, Milano · 20060 · Tel 800 477722 · Fax 02 90995203 · http://www.armacell.com · http://www.armaservice.it · [email protected]

Tutte le dichiarazioni e le informazioni tecniche sono basate su risultati ottenuti in condizioni standard di prova. È responsabilità dell‘Utente verificare con Armacell che le informazioni siano appropriate per l’uso specifico previsto dall’Utente. La documentazione e le informazioni sono fornite come supporto tecnico e sono soggette a cambiamento senza preavviso.

ArmWin AS – Documentazione Tecnica

• Fattore µ • Armaflex con Strato Aggiuntivo di Rivestimento • Modelli di Calcolo • Controllo della Condensa • Conduzione • Convezione • Punto di Rugiada • Risparmio Energetico per Tubo Isolato o Superficie Piana • Spessore di Parete Progressivo (ingegnerizzato) • Coefficiente Superficiale Esterno • Schiuma Elastomerica Flessibile • Flusso Termico • Coefficiente Superficiale Interno • Comportamento nel Lungo Periodo per Isolamenti a Bassa Temperatura • Unità di Misura Metrico-Decimali / Americane • Temperatura della Superficie Esterna • Unità di Misura della Permeabilità • Unità di Misura di Pressione • Prevenzione dalla Formazione di Ghiaccio per acqua ferma in una tubazione • Irraggiamento • Umidità Relativa • Calore Specifico (Capacità Termica Specifica) • Fluido Fermo • Coefficiente Superficiale • Variazione di Temperatura per Fluido in Movimento • Unità di Misura della Temperatura • Conduttività Termica • Isolamento Termico • Resistenza Termica • Resistività Termica • Trasmittanza Termica • Barriera al Vapor d’Acqua • Permeabilità al Vapor d’Acqua • Permeanza al Vapor d’Acqua • Resistenza al Vapor d’Acqua

Tutti i calcoli realizzati con ArmWin AS V1.0 – il programma di calcolo realizzato da Armacell – sono basati sulla ISO EN 12241:1998. I calcoli della diffusione del vapor d’acqua sono stati sviluppati da Dr. Ernst W. Behrens: Bauphysik 25/1 (2003), pp. 35-38, and 26/4 (2004), p. 204.

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Fattore µ di Resistenza alla Diffusione del Vapor d’Acqua

Il fattore µ di resistenza alla diffusione del vapor d’acqua si ottiene dividendo il coefficiente di diffusione del vapor d’acqua in aria per la permeabilità all’umidità di un materiale poroso. I valori ottenuti saranno collegati ai diversi meccanismi guida che vengono utilizzati per valutare la trasmissione di vapore acqueo attraverso il materiale poroso, i quali possono essere o l’umidità per volume o la pressione parziale del vapor d’acqua. I valori misurati saranno anche dipendenti dalla temperatura. Per aria a 0°C il coefficiente di diffusione del vapore acqueo è 658,07 · 10-9 kg/(m·h·Pa). Il fattore µ di Resistenza alla Diffusione del Vapor d’Acqua

Il fattore di resistenza al vapore acqueo, comunemente chiamato fattore µ, è pertanto una grandezza adimensionale che rappresenta quanto meglio un materiale od un prodotto resiste al passaggio di vapore acqueo rispetto ad un equivalente spessore di aria. Quindi un alto fattore µ = alta resistenza alla trasmissione di vapor d’acqua. Se si confrontano diversi prodotti, e se la riduzione della diffusione è la stessa, lo spessore equivalente d’aria deve essere sempre il medesimo. Esempio:

• µ = 10.000 d = 0,014 m -> µ·d = 140 m • µ = 7000 d = 0,020 m -> µ·d = 140 m • µ = 5000 d = 0,028 m -> µ·d = 140 m • µ = 3000 d = 0,047 m -> µ·d = 140 m

Da ciò si deduce che più è basso il fattore µ più grande è lo spessore di isolamento richiesto per ottenere la medesima riduzione della diffusione.

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Armaflex con Strato Aggiuntivo di Rivestimento

Per prevenire la condensa all’interno dei processi industriali, nei settori della refrigerazione e dell’aria condizionata, è necessario selezionare uno spessore di isolamento tale che la temperatura superficiale dell’isolamento sia almeno la temperatura di rugiada dell’aria ambiente. Dal momento che la differenza di temperatura tra il fluido freddo (o la superficie) e l’aria ambiente calda causa anche una differenza di pressione parziale, è necessario minimizzare la diffusione dell’umidità all’interno dell’isolamento. Armaflex possiede una struttura a celle chiuse che offre una alta resistenza alla diffusione del vapor d’acqua, minimizzando l’effetto nocivo che questo processo può avere sull’efficienza dell’isolamento. Nella pratica viene spesso applicato uno strato di rivestimento sopra l’isolamento Armaflex. In questo caso lo spessore di isolamento dei materiali elastomerici deve essere aumentato della dimensione della foratura delle viti autofilettanti di chiusura del foglio di rivestimento quando si prende in considerazione il cambiamento del coefficiente superficiale di scambio di calore. In passato, per ridurre l’inevitabile aumento dei costi, gli specialisti nell’applicazione di materiale isolanti spesso scieglievano di installare, come alternativa all’aumento dello spessore dell’isolamento elastomerico, uno strato come superficie di giunzione realizzato con materiale a celle aperte per inglobare la foratura delle viti autofilettanti del foglio di rivestimento. Come conseguenza, la temperatura superficiale del materiale isolante flessibile diminuisce in larga misura e la temperatura critica di rugiada (zona di ingresso) si muove all’interno del materiale a celle aperte. Così lo strato addizionale, immagazzinando acqua, era ed è responsabile della corrosione all’interno dello strato di rivestimento. Con l’aggiornamento nel 1996 della norma DIN 4140 "Lavori di isolamento nelle installazioni industriali e nelle apparecchiature per edifici civili – Esecuzione dell’isolamento termico caldo e freddo” è stato cancellato lo strato aggiuntivo come protezione del materiale isolante all’interno delle applicazioni per l’isolamento del freddo. Come alternativa, è stata prevista l’esecuzione di una camera d’aria addizionale con un’apertura sullo strato di rivestimento. La camera ad aria deve essere spessa almeno 15 mm. In aggiunta, devono esserci fori di esfiltrazione e ventilazione di almeno 10 mm di spessore e con differenze di al massimo 300 mm. Questa tipologia di installazione, valida anche per oggetti installati all’esterno e con temperature di esercizio inferiori a +120°C, crea una separazione dello strato di rivestimento dal materiale isolante, in maniera che possa avvenire una sorta di ventilazione del materiale isolante e la creazione di umidità possa essere esclusa in anticipo. A parte ciò, è possibile che la condensa sia in grado di colare attraverso la camera d’aria senza entrare nel materiale isolante. Naturalmente questo deve essere preso in considerazione analogamente nella definizione strutturale della spaziatura delle barriere.

Modelli di Calcolo

Sono disponibili i seguenti modelli di calcolo:

» Controllo della Condensa

» Temperatura Superficiale Esterna

» Trasmittanza Termica

» Flusso Termico

» Variazione di Temperatura per Fluido in Movimento

» Variazione di Temperatura per Fluido Fermo - tempo da calcolare - variazione di temperatura da calcolare

» Prevenzione dal ghiaccio per acqua ferma in un tubo

» Comportamento nel Lungo Periodo

» Risparmio Energetico

Formule utilizzate per i calcoli: » EN ISO 12241:1998 » Thermal insulation for building equipment and industrial installations - Calculation rules

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Controllo della Condensa

La formazione di acqua di condensa può essere prevenuta assicurandosi che l’isolamento sia dimensionato in maniera tale che la sua temperatura superficiale sia superiore alla temperatura del punto di rugiada, anche nei punti critici (=”ponti termici”). Lo spessore minimo necessario di isolamento è determinato dalle seguenti variabili influenti:

• temperatura minima di linea • temperatura ambiente massima • massima umidità relativa • coefficiente superficiale esterno • coefficiente superficiale interno (per i gas) • conduttività termica del materiale isolante in corrispondenza delle condizioni di temperatura date

Lo spessore di parete progressivo dell’isolamento detiene un ruolo molto importante per il dimensionamento. Quando un sistema aggiuntivo, ad esempio un rivestimento in fogli metallici su uno strato d’aria, viene applicato su un isolamento AF/Armaflex correttamente dimensionato, ne deriva una mutazione del profilo di temperatura dell’isolamento. La temperatura superficiale di Armaflex si abbassa notevolmente, e quindi la temperatura critica di rugiada (zona di penetrazione della condensa) si sposta nello strato d’aria.

Conduzione

Il calore è il trasferimento di energia tra due sistemi comunicanti a causa della sola differenza di temperatura. Ci sono tre meccanismi riconosciuti di trasferimento di calore e, a seconda delle circostanze, possono concorrere simultaneamente o separatamente.

• Conduzione • Convezione • Irraggiamento

La Conduzione è il trasferimento di calore in un materiale solido dovuto alla differenza di temperatura. L’energia viene trasferita tramite il movimento delle molecole e delle particelle costituenti il solido. La conduttività termica è una misura del tasso di trasferimento del calore attraverso il materiale. I metalli sono generalmente conduttori di calore molto buoni. Perciò il rame ha una conduttività termica di 401 W/(m.K).

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Temperatura di Rugiada

La temperatura di rugiada – anche chiamata temperatura di saturazione – è la temperatura alla quale l’aria è saturata dal vapor d’acqua ed in cui l’acqua condensa se la temperatura dell’aria scende ulteriormente. In generale l’aria calda può assorbire più acqua dell’aria fredda. L’aria atmosferica ad una certa temperatura e con un certo contenuto di vapore acqueo si raffredda quando si trova nelle vicinanze di un tubo il cui fluido è ad una temperatura più bassa di quella dell’aria nell’ambiente. Dal momento che la quantità di vapor d’acqua che è presente nell’aria non diminuisce quando l’aria si raffredda, ad una certa temperatura l’aria è satura al 100% di vapore acqueo. Se a questo punto l’aria continua a raffreddarsi a contatto con l’oggetto freddo, parte dell’acqua non sarà più trattenuta dall’aria in forma di vapor acqueo e pertanto diventerà acqua liquida. Così avviene la formazione di condensa, anche nota come acqua traspirata.

υ = + 22 °C υ = + 19,4 °C υ = + 22 °C

ϕ = 85% ϕ = 100% ϕ = 100% Per installazioni in applicazioni di refrigerazione, ciò comporta che gli spessori di isolamento devono essere definiti in maniera tale che le temperature non siano più basse della temperatura di rugiada in ogni punto della superficie del materiale isolante.

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Convezione

Il calore trasferito tramite il movimento delle particelle del fluido è definito Convezione. Un liquido o un gas si riscalda tramite il contatto con una superficie calda, successivamente il liquido o il gas si allontana portando con se il calore contenuto nelle sue particelle che si spostano. Il trasferimento di calore tramite convezione può essere forzato o naturale. La convezione forzata necessita un agente esterno quale una pompa, un agitatore, un ventilatore. L’effetto di raffreddamento dato dal vento è pure un esempio di convezione forzata. La convezione naturale è il trasferimento di calore tra un solido ed un fluido grazie esclusivamente alla differenza di temperatura tra i due. Il movimento del fluido è dovuto interamente alle forze di spinta generate dal mutamento della densità del fluido in prossimità della superficie. Il flusso all’interno del fluido può essere laminare o turbolento e ciò influirà sul tasso di trasferimento del calore. Inoltre la forma e l’orientamento del solido inciderà sul tipo di flusso.

Risparmio Energetico per tubo isolato o superficie piana

Per gli investitori è spesso necessario che venga effettuata la stima del consumo futuro di energia dovuto alle applicazioni di riscaldamento. Il consumo di energia dipende, tra gli altri fattori, dallo spessore dell’isolamento applicato. Provvisto dei noti valori calorimetrici del combustibile (gas o gasolio) e fornendo come dato nel foglio di calcolo anche il prezzo unitario di gasolio, gas ed elettricità, ArmWin AS calcolerà i risparmi energetici durante il periodo di tempo richiesto confrontandoli con un tubo o un serbatoio non isolati. Il periodo di tempo considerato è coerente con il tempo di funzionamento dell’impianto di riscaldamento: anni, giorni di impiego nell’anno (stagione invernale e/o di riscaldamento) e ore di esercizio giornaliere (numero medio sull’intera stagione di riscaldamento). I risparmi energetici sono calcolati come quantità di combustibile o energia elettrica in kWh risparmiati durante il periodo di tempo richiesto; questi risparmi sono anche convertiti in risparmio economico sui costi diretti utilizzando gli appropriati prezzi del combustibile o dell’elettricità rispettivamente. Maggiori informazioni sulle potenzialità di risparmio dovute all’isolamento delle tubazioni sono disponibili tramite l’Ufficio Tecnico di Armacell.

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Spessore di Parete Progressivo (ingegnerizzato)

I tubi preformati di AF/Armaflex, prodotto specificatamente progettato per evitare la condensa sulle linee fredde, sono realizzati in maniera tale che – per un particolare spessore di parete nominale di isolamento – l’effettivo spessore di parete venga aumentato all’aumentare del diametro interno (ossia all’aumentare del diametro della tubazione). Perciò per un insieme particolare di condizioni di progetto lo spessore di parete effettivo viene incrementato per mantenere la temperatura superficiale richiesta dell’isolamento. Per il seguente scenario di condizioni:

• Temperatura Ambiente: 22°C • Temperatura di Linea: 6°C • Umidità Relativa: 85 %

il punto di rugiada è a 19,4°C. Lo spessore minimo di isolamento richiesto per innalzare la temperatura della superficie esterna ad un valore superiore al punto di rugiada è: (coefficiente superficiale esterno pari a 9 W/(m² · K))

Diametro esterno del tubo mm

Spessore di isolamento mm

15 12,3

22 13,3

42 14,9

60 15,7

89 16,5

114 17,0 Lo spessore di parete dei tubi AF-3 è stato ideato in maniera progressiva dello spessore richiesto per soddisfare la tabella precedente. Gli spessori di parete progressivi eliminano l’esigenza di calcolare il corretto spessore di isolamento per ogni singolo diametro di tubo.

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Coefficiente Superficiale Esterno

Per lo sviluppo dei calcoli è generalmente accettato che vengano utilizzati i seguenti valori o coefficienti superficiali esterni digitati dall’utente per condizioni standard in centrali termiche (interne ed esterne) isolate con: SH/Armaflex oppure Grigio non verniciato e/o verniciato con Armafinish 99

10 W/(m²·K)

AF/Armaflex, NH/Armaflex, HT/Armaflex oppure Nero non verniciato e/o verniciato Armafinish 99

9 W/(m²·K)

Rivestimento metallico, ad esempio acciaio zincato 7 W/(m²·K) Superficie metallica lucida, ad esempio alluminio o acciaio inossidabile 5 W/(m²·K) Non isolato 18 W/(m²·K) Nota per lo sviluppo del calcolo “Controllo della condensa ": Non è possibile utilizzare il valore più alto del coefficiente superficiale esterno che si ottiene quando sono presenti movimenti dell’aria sensibili (convezione forzata) come base per sviluppare i calcoli dal momento che gli spessori degli strati di isolamento calcolati in questa maniera avrebbero una resistenza alla diffusione del vapore (valore µd) inadeguata. Una convezione ristretta a causa della presenza di “aree congestionate” (troppo poco spazio, cavedi e intercapedini scarsamente o impropriamente ventilati) comporta una riduzione dei coefficienti superficiali esterni. In tali casi è necessario sviluppare un calcolo secondo la norma ISO 12241:1998 Standard.

Schiuma Elastomerica Flessibile (FEF, Flexible Elastomeric Foam)

Schiuma flessibile a celle chiuse costituita da gomma sintetica e contenente altri polimeri ed altre sostanze chimiche che possono essere modificate da additivi organici o inorganici.

Flusso Termico

Al fine di garantire un risparmio energetico, nelle applicazioni pratiche è spesso richiesto di non superare un certo flusso termico. Valori necessari sono:

• coefficiente superficiale esterno • coefficiente superficiale interno

La densità di flusso termico q è il flusso termico riportato all’unità di superficie attraversata. La sua unità di misura è W/m². Nella tecnologia dell’isolamento, la densità di flusso termico è collegata alla superficie del sistema isolante. La densità lineare di flusso termico è il flusso termico diviso per la lunghezza; la sua unità di misura è W/m.

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Coefficiente Superficiale Interno

Secondo la EN ISO 12241 il Coefficiente Superficiale Interno di un fluido in movimento (liquido) è molto alto e può essere ignorato per fluidi in movimento all’interno di tubi. Valore approssimativo: 1000 W/(m²·K) In ogni caso, questo parametro deve essere preso in considerazione nel caso di linee di ventilazione o canali dell’aria. In questi casi è richiesto un calcolo svolto secondo la EN ISO 12241. Valore approssimativo: 30 W/(m²·K) (fluidi gassosi)

Comportamento nel Lungo Periodo per Isolamenti a Bassa Temperatura

Il più grande compito dell’isolamento alla basse temperature è quello di evitare la condensa e minimizzare le perdite di energia durante l’intero ciclo di vita produttiva di un’installazione. Quando si effettua la selezione e la determinazione dello spessore di un isolamento per le basse temperature è necessario tenere a mente che lungo la vita utile le perdite di energia possono crescere in maniera notevole come risultato della penetrazione di umidità. Un sistema di isolamento affidabile deve perciò prevedere e garantire una protezione contro una inammissibile penetrazione di umidità. Per ogni punto percentuale (%) in volume di contenuto di umidità la conduttività termica aumenta e gli effetti dell’isolamento si deteriorano. I risultati sono non solo dati da più alte perdite di energia ma anche da una caduta della temperatura superficiale. Se tale temperatura scende sotto la temperatura di rugiada, c’è formazione di condensa. Solo se la conduttività termica del materiale isolante non aumenta in maniera significativa a causa della penetrazione di umidità è possibile garantire che la temperatura superficiale rimarrà sopra il punto di rugiada anche dopo molti anni di esercizio. La quantità di umidità che è in grado di penetrare attraverso l’isolamento come risultato della diffusione del vapore dipende dalla resistenza alla diffusione del vapore (fattore µ) che il materiale isolante possiede. Più è basso il valore del fattore µ di un materiale isolante, più crescerà il contenuto di umidità – e quindi le perdite di energia – durante gli anni. È essenziale tenere ciò a mente quando si seleziona il materiale isolante da utilizzare. Nelle normali condizioni la probabilità che il vapor d’acqua condensi all’interno del materiale isolante e così contribuisca ad aumentare la conduttività termica è più bassa di quanto solitamente si creda. Una delle ragioni è che il calcolo degli spessori di isolamento richiesti per evitare la condensa è basato sulle condizioni ambiente più sfavorevoli. In ogni modo, è improbabile che la condizione di temperatura più sfavorevole (la massima temperatura) e la condizione più sfavorevole di umidità (la massima umidità) assunte ai fini del calcolo si presentino simultaneamente. Inoltre, per i casi più estremi è usuale nelle applicazioni a bassa temperatura – anche col fine di garantire il risparmio energetico – utilizzare uno strato leggermente più spesso di isolante rispetto a quanto è strettamente necessario per evitare la condensa. A seguito delle revisioni, le equazioni di calcolo sono state formalizzate nella VDI 2055, part 1.

Unità di Misura Metrico-Decimali / Americane

1 pollice, inch (in) = 25.4 mm

1 piede, foot (ft) = 0.3048 m

1 iarda, yard (yd) = 1.609 km

1 miglio nautico (nm) = 0.9144 m

1 miglio terrestre (USA) (stm) = 1.852 km

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Temperatura della Superficie Esterna

Per ragioni operative viene spesso stabilito nelle applicazioni pratiche che si debba mantenere una certa temperatura superficiale oppure che la temperatura superficiale sia più alta di quella ambiente. La temperatura della superficie esterna non è una misura della qualità dell’isolamento termico. Essa dipende non solo dalla trasmissione del calore, ma anche dalle condizioni operative che non possono essere prontamente determinate o garantite dal produttore di materiale isolante. Queste ultime comprendono tra le altre cose: la temperatura ambiente, il movimento dell’aria, lo stato della superficie dell’isolamento, gli effetti dei corpi radianti adiacenti, le condizioni metereologiche, ecc. Inoltre, sarà necessario fare delle assunzioni sui parametri operativi. Con tutti questi parametri è possibile calcolare lo spessore di isolamento richiesto.

Unità di Misura della Permeabilità

L’unità di misura più comune è: kg/(m · h · Pa) Altre unità sono:

1 kg/(m×s×Pa) = kg/(m×h×Pa) × 3600

1 kg/(m×s×Pa) = µgm/(Nh) × 2.778 × 1013

1 kg/(m×s×Pa) = gm/(s×MN) × 10-9

1 kg/(m×s×Pa) = g/(m×h×mmHg) × 479,17 × 10-6

1 kg/(m×s×Pa) = g/(m×s×bar) × 10-8

2,97 × 10-10 kg/(m×h×Pa) = g/(m²×24h)

3,6 × 10-8 kg/(m×h×Pa) = g/(MN×s)

0,52 ×10-8 kg/(m×h×Pa) = gr × in/(h×ft²×inHg) "perm-in"

Unità di Misura di Pressione

L’unità di misura più comune è il Pa. Altre unità sono:

1 bar = 10-5 Pa 1 N/m² = 1 Pa 1 kp/m² = 9.81 Pa 1 Torr = 133 Pa

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Prevenzione dalla Formazione di Ghiaccio per acqua ferma in una tubazione

È impossibile prevenire il congelamento di un liquido in un tubo, sebbene sia isolato, oltre un arbitrario lungo periodo di tempo. Non appena il liquido nel tubo (normalmente l’acqua) è fermo il processo di raffreddamento inizia. Il tempo di congelamento dipende dal flusso termico e dal diametro del tubo. Il flusso termico di un liquido fermo è definito dall’energia iniziale immagazzinata nel liquido, dal materiale isolante e dal materiale del tubo così come dal calore latente di transizione dall’acqua liquida al ghiaccio. In teoria non dovrebbe avvenire il congelamento in nessun punto della sezione del tubo se le sezioni delle tubazioni sono state dimensionate coerentemente con le esigenze. In ogni caso, si possono prevedere delle eccezioni in casi particolari ed eccezionali ed è possibile richiedere ad ArmWin AS di considerare che vi sia formazione di ghiaccio (secondo una percentuale indicata dall’utente).

Irraggiamento

La trasmissione di calore per irraggiamento differisce dagli altri due meccanismi di trasmissione del calore (conduzione e convezione). L’irraggiamento è una trasferimento di energia che avviene molto più liberamente nel vuoto e si realizza tra tutti gli stati fisici dei materiali. Difatti tutti i materiali che hanno una temperatura superiore allo Zero Assoluto (-273°C) emettono radiazioni a causa della vibrazione degli elettroni all’interno delle molecole del materiale stesso. La quantità di energia emessa dipende dalla temperatura assoluta del corpo secondo l’equazione di Stefan-Boltzmann. Tale equazione è strettamente applicabile solo ad un “corpo nero”, dal momento che esso è un elemento radiante perfetto. Un materiale reale emetterà meno energia e la proporzione della sua energia emessa rispetto a quella emessa dal “corpo nero” è definita Emissività del materiale.

Umidità relativa

Un dato volume di aria è in grado di trattenere una ridotta quantità di vapore acqueo e questa (massima) quantità di vapor d’acqua dipende dalla temperatura dell’aria. Non sempre l’aria conterrà la massima quantità possibile di vapore acqueo, perciò si suole esprimere l’entità del vapor d’acqua presente come percentuale del massimo:-

effettiva quantità di vapor d’acqua presente Umidità relativa =

massima quantità di vapor d’acqua che può essere trattenuta ad una particolare temperatura oppure

effettiva pressione parziale del vapor d’acqua

Umidità relativa = pressione satura di vapore

Alla temperatura di 22°C la massima quantità di vapor d’acqua che l’aria puà trattenere, cioè in condizioni di saturazione, è pari a 16,6 g per kg alla pressione atmosferica. Così ad un’umidità relativa del 85% l’effettiva entità di vapor acqueo sarà di 14,1 g/kg. Se la temperatura dell’aria viene ora ridotta a 19,4°C l’effettiva quantità di vapor d’acqua non cambierà, ma l’umidità relativa aumenterà raggiungendo il 100%, cioè a 19,4°C la massima quantità di vapore acqueo che l’aria è in grado di trattenere è pari a 14,1 g/kg. L’aria calda può contenere più vapore acqueo rispetto all’aria fredda, perciò quando l’aria calda viene in contatto con una superficie fredda l’aria in prossimità di tale superficie si raffredda e può superare il proprio livello di saturazione determinando la formazione di condensa.

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Calore Specifico (Capacità Termica Specifica)

La Capacità Termica di un materiale è la quantità di energia richiesta per innalzare la temperatura di un grado Kelvin. Da ciò la Capacità Termica Specifica, detta anche Calore Specifico, si riferisce all’unità di massa del materiale ed è misurata in kJ/(kg·K) cioè chiloJoule per chilogrammo per grado Kelvin. Un materiale isolante con alta capacità termica tende ad impartire stabilità termica ad un sistema isolato dal momento che sotto condizioni di fluttuazione della temperatura il calore sarà assorbito dal materiale e non condurrà a rapidi riscaldamenti o raffreddamenti del fluido. Alcuni tipici calori specifici sono:

Fluido Temperatura del fluido °C Densità (Massa volumica) kg/m³

Calore Specifico kJ/(kg·K)

Ammoniaca -50 695 4.450

+50 561 5.080

Benzina - 920 1.670

Glicerina 0 1273 2.260

+100 1209 2.810

Azoto -180 730 2.150

Acqua ±0 1000 4.220

+50 998 4.180

Aria -50 1563 1.005

±0 1275 1.005

Acciaio +10 7850 0.502

Rame +20 8900 0.398

Ghisa +10 7250 0.628

Zinco ±0 7100 0.398

Fluido Fermo

Questa opzione di calcolo permette di calcolare l’effetto di raffreddamento (oppure di riscaldamento) in un fluido fermo (immobile). Sono disponibili due opzioni di calcolo nel caso di spessore di isolamento imposto o già conosciuto: » tempo da calcolare, » temperatura finale da calcolare. Qualora lo spessore di isolamento debba invece essere calcolato, entrambi i valori precedenti devono essere noti. Per ragioni operative è spesso richiesto nella pratica che non venga superata o una certa temperatura finale del fluido (di lavoro) o una certa durata di tempo in cui il fluido rimane fermo. Per effettuare il calcolo i valori necessari sono (tra gli altri): » Coefficiente superficiale esterno » Coefficiente superficiale interno (per fluidi gassosi) » Calore specifico Per fluidi gassosi viene presa in considerazione anche la capacità termica del contenitore (serbatoio, tubo, canale), perciò sono richiesti i dati di input (immissione da parte dell’utente) relativi al contenitore (calore specifico, densità).

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Coefficiente Superficiale

Il Coefficiente Superficiale di scambio termico è la densità di flusso termico divisa per la differenza di temperatura tra la superficie e ciò che la circonda.

Q h = [W/(m2·K)] Ts - Ta

Per una più dettagliata comprensione dei coefficienti superficiali è necessario considerare:

La differenza di temperatura tra la superficie e l’ambiente circostante. Il diametro esterno dell’isolamento. L’orientamento del tubo. La natura della superficie. Il movimento dell’aria attorno al tubo, cioè laminare o turbolento. Qualunque scambio di calore radiativo.

Il Coefficiente Termico Superficiale è la somma del contributi convettivi e radiativi.

h = hcn + hr Dove il contributo convettivo dipende dal movimento dell’aria, dall’orientamento relativo e dal tipo di materiale. Mentre il contributo radiativo dipende dalla natura della superificie e dalla sua emissività. Sono disponibili un certo numero di equazioni per calcolare i valori dei coefficienti superficiali nel caso di differenti condizioni operative.

Variazione di Temperatura per Fluido in Movimento

Questa opzione di calcolo permette di calcolare l’effetto di raffreddamento (o di riscaldamento) di un fluido in movimento in un recipiente (solitamente tubo o canale dell’aria, ma potrebbe essere anche un serbatoio). Per uno spessore di isolamento imposto o già conosciuto è possibile calcolare la variazione di temperatura (ossia la temperatura finale del fluido). Qualora lo spessore di isolamento debba invece essere calcolato, allora la variazione di temperatura (ossia la temperatura finale del fluido) deve essere nota. Per ragioni operative è spesso richiesto nella pratica che non venga superata una certa temperatura finale del fluido (di lavoro). Per effettuare il calcolo i valori necessari sono (tra gli altri): » Coefficiente superficiale esterno » Coefficiente superficiale interno (per fluidi gassosi) » Calore specifico

Unità di Misura della Temperatura

Kelvin: TK = 273,15 + tc = 5/9 TR (K) Rankine: TR = 459,67 + tF = 1.8 TK (Ra) Celsius: tC = 5/9 (tF-32) = TK - 273,15 (°C) Fahrenheit: tF = 1.8 tC + 32 = TR - 459,67 (F)

Lo Zero Assoluto della temperatura è:

0K = -273,15°C = 0Ra = -459,67F

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Conduttività Termica

La Conduttività Termica è una misura dell’attitudine del materiale a permettere al calore di passargli attraverso. Il suo valore è una proprietà del materiale ed è dipendente solo dalla temperatura alla quale viene effettuata la misurazione e dal contenuto di umidità dell’isolamento. Quando si confrontano conduttività termiche di diversi materiali isolanti i valori più bassi sono i migliori. L’unità di misura più comune è: W/(m · K) Altre unità di misura sono:

1 W/(m·K) = kcal/(m·h·K) · 1.163

1 W/(m·K) = Btu in / h· ft² ·deg F · 0.1443

Isolamento Termico (ISO 9229:1991)

È un materiale o un prodotto che ha lo scopo di ridurre la trasmissione del calore della struttura sulla quale, o nella quale, è installato. La trasmissione del calore (ISO 9251:1987 clause 2.5) è definita come la trasmissione di energia tramite conduzione termica, convezione termica, irraggiamento termico, o una combinazione di questi tre fenomeni. Le proprietà di un pratico materiale isolante sono molte di più rispetto alla semplice riduzione di trasferimento di calore, giacchè l’isolante più efficiente è il vuoto, il quale però non è sempre pratico. Per un pratico materiale isolante si dovrebbero considerare le seguenti proprietà: » Bassa conduttività termica » Buona reazione al fuoco » Alta resistenza al vapor d’acqua » Stabilità strutturale a lungo termine » Semplicità di installazione » Salute e sicurezza per il personale » Fattori ambientali/ecologici » Supporto tecnico ed i materiali dovrebbero essere selezionati in maniera da fornire la miglior combinazione delle proprietà sopraccitate.

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Resistenza Termica

La Resistenza Termica è definita dall’equazione:

T1 - T2

R = q

cioè la differenza di temperatura divisa per la densità di flusso termico in condizioni stazionarie.

La Resistenza Termica può essere collegata al materiale, alla struttura o alla superficie.

d R =

λ Per uno strato piano di materiale dove d = lo spessore dello strato e lambda è la conduttività termica del materiale. L’unità di misura della resistenza termica è (m²·K)/W. Per calcolare la resistenza termica totale di una struttura è necessario considerare anche le appropriate resistenze delle superficii. Perciò si calcola prima la resistenza termica lineare dell’isolamento di una tubazione, cioè la resistenza termica per un metro di lunghezza del tubo, dove RL è misurata in (m·K)/W. Per le tubazioni, la resistenza termica del materiale è:

De ln

Di

RL = 2 · π · λ

dove De = diametro esterno dell’isolamento. Di = diametro interno dell’isolamento (diametro esterno del tubo). p = 3.1416 Per essere in grado di calcolare la resistenza termica totale di una struttura, alla resistenza termica del materiale bisogna aggiungere Rsi e Rse, rispettivamente la resistenza termica della superficie interna e della superficie esterna. Dove (per l’isolamento di un tubo):

1 1 Rsi =

hi ·π · Di and Rse= he ·π · De

ed hi e he sono rispettivamente i coefficienti superficiali di trasferimento di calore interno (tra il fluido ed il tubo) ed esterno (tra l’isolamento e l’aria ambiente). Con questo approccio viene trascurata la resistenza termica del materiale del tubo (a causa del fatto che solitamente il materiale del tubo ha una alta conduttività termica ed un basso spessore – confrontato con il materiale isolante).

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Resistività Termica (EN ISO 7345)

Questa grandezza è il reciproco della Conduttività Termica. Pertanto la sua unità di misura è (m·K)/W.

Trasmittanza Termica (ISO 7345 2.12)

È spesso richiesto nella pratica che non venga superato un preciso livello di trasmittanza termica. Per il calcolo della trasmittanza termica è necessario conoscere, tra gli altri, il valore di: » coefficiente superficiale esterno » coefficiente superficiale interno La trasmittanza termica è data dalla densità di flusso termico in condizioni stazionarie divisa per la differenza di temperatura, così

q U =

(Tse - Tsi) [W / (m²K)] dove q = quantità di calore trasferito diviso per il tempo, perciò l’unità di misura è il Watt. Se si confronta la trasmittanza termica con la resistenza termica si può vedere che

1 U =

R Perciò una semplice formula del valore U, o trasmittanza termica, si ottiene da

1 U =

Rsi + R + Rse I valori U sono usati dalle autorità di regolamentazione (normalmente dai governi nazionali) per specificare i livelli di isolamento richiesti negli edifici ad uso domestico, negli uffici e in tutte le altre tipologie di edifici. Una regolamentazione rappresentativa può definire che, per una parete esposta verso l’esterno o per un tetto, il valore U non deve essere maggiore di 0.3 (W/m²K) nel caso di unità abitative. Sarà inoltre necessario calcolare il valore complessivo di U dalle resistenze termiche di tutti i componenti con particolare attenzione ad ogni spazio d’aria e superficie. Per l’isolamento di tubazioni una regolamentazione caratteristica impone in maniera univoca lo spessore di isolamento. In ogni caso i valori U in [W/m·K] per tubi isolati e non isolati sono dati come valori di riferimento nelle normative EN per il calcolo della resa energetica degli edifici.

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Barriera al Vapor d’Acqua

La Barriera al Vapor d’Acqua (anche detta Barriera Vapore) è definita nella ISO 9229 come uno strato destinato ad impedire la diffusione del vapor d’acqua. La barriera vapore può essere uno strato relativamente sottile di materiale impermeabile che viene applicato sulla superficie esterna o sul lato caldo dell’isolamento. Alternativamente la barriera vapore può essere intrinsecamente realizzata nel materiale, come nel caso delle strutture a celle chiuse. In ogni caso è importante chiarire che una struttura a celle chiuse non può, da sola, garantire una barriera vapore sufficiente a soddisfare le rese richieste. È necessario anche considerare la natura del materiale isolante ed assicurarsi che l’integrale barriera vapore sia abbinata ed associata ad una resistenza alla trasmissione del vapor d’acqua molto alta. Le barriere vapore che sono applicate come protezione addizionale solitamente incorporano un foglio di alluminio il quale è laminato e rinforzato con vetro o con una rete in poliestere e poi coperto con adesivo. Con tali superfici di barriere vapore è molto importante assicurarsi che esse vengano installate correttamente di modo da garantire una protezione completa, dal momento che anche un piccolo taglio o buco o foratura sarebbe sufficiente per rendere la barriera vapore inefficace. Per l’isolamento di sistemi a bassa temperatura l’utilizzo di una barriera vapore appropriata è un requisito tecnico necessario per garantire l’efficienza a lungo termine del sistema. Può rendersi necessario realizzare qualche protezione addizionale per la barriera vapore per mezzo di una barriera agli agenti atmosferici o altro: l’addizionale barriera agli agenti atmosferici può migliorare significativamente la barriera vapore esistente della struttura del materiale isolante, come nel caso ad esempio dell’utilizzo del sistema Arma-Chek T di protezione della superficie isolante.

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Permeabilità al Vapor d’Acqua

L’efficienza della barriera vapore è espressa in termini di tasso al quale il vapor d’acqua viene trasmesso attraverso di essa in precise condizioni. In maniera similare, per un materiale isolante la permeabilità al vapor d’acqua determina la sua efficienza in installazioni a basse temperature. La permeabilità è una proprietà del materiale ed è definita come la quantità di vapor d’acqua che passa attraverso uno spessore unitario, normalmente un metro, nell’unità di tempo in condizioni di pressione stabilite. Le sue tipiche unità di misura saranno pertanto:- kg/(m·s·Pa) oppure g·m/(s·MN) dove un Pascal = un Newton al metro quadrato (Pa = N/m²). In letteratura sono disponibili ulteriori unità di misura della Permeabilità. I materiali che hanno una resistenza molto alta alla trasmissione del vapor d’acqua avranno valori di permeabilità molto bassi, ad esempio meno di 0.2·10-9 kg/(m·h·Pa). Quando si confrontano valori di permeabilità dichiarati da diversi produttori è necessario prendere in considerazione il metodo di test che ha prodotto i risultati. Così la permeabilità ottenuta secondo le EN 12086 e EN 13469 (precedentemente DIN 52615) è misurata a 23°C con una umidità relativa del 50% su una faccia del campione e UR 0% sull’altra faccia. In queste condizioni la differenza di pressione parziale del vapor d’acqua è di 1400 Pa. Invece secondo la BS 4370 Part 2 le condizioni di prova sono 25°C e UR 75%, le quali danno una differenza di pressione parziale del vapor d’acqua di 2380 Pa. In un sistema in servizio a basse temperature, per determinare la pressione parziale del vapor d’acqua è anche necessario considerare la temperatura del fluido di lavoro e l’umidità relativa. Così per un sistema ad acqua refrigerata funzionante alla temperatura di lavoro di 6°C con condizioni ambiente di 22°C e UR 85% si ottiene: Pressione parziale sulla superficie del tubo = 935 Pa Pressione parziale ambiente = 2247 Pa Quindi la pressione parziale di vapor d’acqua agente sulla superficie esterna dell’isolamento è pari a 1312 Pa. Il valore della pressione di vapore può essere ottenuto da tabelle pubblicate. In questo caso, l’”Handbook of Physics and Chemistry values” contiene valori riconducibili alle unità internazionali tramite il fattore di conversione 1mm Hg = 133.316 Pa.

Permeanza al Vapor d’Acqua

Come spiegato nella voce “Permeabilità al Vapor d’Acqua”, la permeabilità è una proprietà del materiale. Però quando è richiesto di confrontare la resa di diversi materiali è necessario avere i valori della permeanza. Così la permeanza è la trasmissione di vapor d’acqua attraverso uno spessore conosciuto di un dato materiale sotto condizioni definite. I requisiti di barriera vapore saranno indicati come un valore di permeanza minimo. Le unità di misura della permeanza al vapor d’acqua sono molto simili a quelle della permeabilità, tipicamente g/(s·MN) oppure kg/(m²·h·Pa).

Resistenza al Vapor d’Acqua

Questa grandezza è il reciproco della permeanza al vapor d’acqua.

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