Umidificazione (2) Raffreddamento con evaporazione

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1 Umidificazione (2) Raffreddamento con evaporazione Termodinamica dell Aria Umida - 27 Nel secondo caso, parte dell acqua spruzzata nella corrente evapora, sottraendo all aria calore sensibile ed abbassandone la temperatura. La trasformazione è simile alla saturazione adiabatica: per questo motivo sul diagramma è rappresentato con una linea a entalpia costante. Questo processo può essere usato come sistema di raffreddamento in zone a clima caldo e secco. B A x B x A

2 Termodinamica dell Aria Umida - 28 Raffreddamento con deumidificazione (1) Per deumidificare una corrente d aria occorre fare condensare il vapore d acqua in essa presente. In generale questo si fa abbassando la sua temperatura fino alla temperatura di rugiada: in questo punto l aria sarà satura ed inizierà il processo di condensazione. Continuando a sottrarre calore è possibile raggiungere il titolo che si voleva ottenere. h C h B h B h A B A x A = x B C B x C = x B

3 Termodinamica dell Aria Umida - 29 Raffreddamento con deumidificazione (2) Nella pratica, la corrente d aria viene fatta passare attraverso una batteria di raffreddamento in cui in primo luogo l aria subirà un raffreddamento sensibile (retta orizzontale sul grafico); successivamente l acqua condenserà sui tubi. Per calcolare la massa di acqua condensata ed il calore totale da asportare all aria si utilizzano le formule a lato: A volte può accadere che il titolo dell aria in uscita sia giusto ma la sua temperatura sia troppo bassa: per questo si può far passare la corrente d aria attraverso una batteria di postriscaldamento. = ( x x ) Q = Q + Q v C B A tot sens lat Q sens = A ( hc ha) + A ( hb ' hc ) Q lat = v ( hb hb ')

4 Miscelazione Adiabatica (1) Termodinamica dell Aria Umida - 30 In molte applicazioni di condizionamento dell aria è necessario miscelare due correnti di caratteristiche differenti. Ad esempio nel riscaldamento di grandi edifici l aria trattata va miscelata con una certa quantità di aria esterna prima dell immissione in ambiente. Considerando il processo come adiabatico, si può dimostrare che il punto di uscita dal miscelatore si trova sulla retta che congiunge i punti che descrivono lo stato delle due correnti in entrata B BM AM M A x A x M x B

5 Miscelazione Adiabatica (2) Termodinamica dell Aria Umida - 31 Considerando due portate in ingresso al miscelatore ed applicando i principi di conservazione della massa e dell energia si trova: x x h h = = x x h h B A M A M A M B M B Per questo motivo per trovare il punto M di uscita della corrente d aria dal miscelatore è possibile applicare una semplice costruzione geometrica: AM m BM = B A

6 Condizionamento dell aria (1) Termodinamica dell Aria Umida - 32 Tutte le trasformazioni viste sul diagramma psicrometrico condizionamento dell aria; quest ultimo può essere diviso in tre fasi: sono utilizzate per il 1. Aspirazione di una certa portata d aria dall ambiente * 2. Trattamento dell aria secondo i processi già visti, in modo da portarla ad opportune condizioni di temperatura ed umidità 3. Immissione dell aria trattata in ambiente Il processo è influenzato dalla stagione: in generale in inverno c è necessità di somministrare calore e vapore acqueo; viceversa in estate. *: se viene considerato anche il rinnovo dell aria, l aria sottratta all ambiente va miscelata con una certa portata di aria esternaa

7 Condizionamento dell aria (2): Trattamento Invernale Termodinamica dell Aria Umida - 33 Nel caso invernale occorre quindi immettere in ambiente aria più calda in modo da sopperire alle perdite di calore verso l esterno. Il riscaldamento sensibile però porterebbe all immissione di aria troppo secca per cui è necessario anche un trattamento di umidificazione. C D A B M

8 Condizionamento dell aria (3): Trattamento Invernale Termodinamica dell Aria Umida - 34 Il trattamento invernale viene eseguito in genere in 3 stadi: 1. Riscaldamento sensibile - linea AB 2. Umidificazione adiabatica - linea BC 3. Post-riscaldamento - linea CD Infatti, se sul grafico si segue la linea AMD, si potrebbe andare incontro ad eccessive temperature di riscaldamento e a difficoltà nell arrestare il processo di umidificazione nel punto D.

9 Condizionamento dell aria (4): Trattamento Estivo Termodinamica dell Aria Umida - 35 Viceversa, in estate occorre asportare calore e vapore acqueo. Il procedimento è molto simile a quello di raffreddamento con deumidificazione visto in precedenza,con l aggiunta di un post-riscaldamento per raggiungere le condizioni di temperatura e umidità ottimali. C B D A

10 Esercizio 1 Termodinamica dell Aria Umida - 36 Per un condizionamento invernale si tratta una portata d aria esterna di 180 kg/h per portarla da una t BS1 =5 C e U.R. 1 =80% ad una t BS2 =20 C. Sapendo che la temperatura all uscita dell umidificatore è t R2 =15 C, calcolare la potenza termica da fornire nelle batterie di riscaldamento e post-riscaldamento e la portata di acqua durante la fase di umidificazione. Soluzione Avendo a disposizione il diagramma psicrometrico, il primo passo risiede nel tracciare i punti di aspirazione dell aria esterna e di immissione in ambiente. A questo punto è possibile tracciare i segmenti che rappresentano le trasformazioni tipiche di un trattamento invernale: 1-3: riscaldamento 3-R2: umidificazione R2-2: post-riscaldamento Questo procedimento va eseguito tenendo conto che: a) Il punto 1 è facilmente tracciabile, avendo a disposizione temperatura ed umidità relativa.

11 Esercizio 1 (segue) Termodinamica dell Aria Umida - 37 b) Il punto R2 rappresenta l uscita dall umidificatore, ovvero la fine di una trasformazione di saturazione adiabatica da cui l aria esce satura. Per questo il punto R2 si trova ulla curva di saturazione ad una temperatura di 15 C. c) Il punto 2 ha la stessa umidità assoluta del punto R2 (riscaldamento sensibile) per cui per tracciarlo è sufficiente incrociare un segmento orizzontale che parte da R2 con l isoterma (verticale) che passa per t=20 C. d) Il punto 3 ha la stessa umidità assoluta del punto 1 (riscaldamento sensibile) e la stessa entalpia specifica del punto R2 (umidificazione per saturazione adiabatica). Per tracciarlo incrocio un segmento orizzontale che parte da 1 con l isoentalpica che passa per R2. Si ricavano: x h = 4, 4 g /Kg 1 vap a.s. = 16 [ KJ/Kg ] h = 48 [ KJ/Kg ] 1 a.s. x = 10,8 g /Kg 2 vap a.s. 2 a.s. h = h = 42 [ kj /..] R 2 3 kg a s

12 Esercizio 1 (segue) Termodinamica dell Aria Umida - 38 La portata massica deve essere convertita in unità del sistema internazionale: 180 m = 180 kg/h = = 0,05 kg/s 3600 [ ] [ ] Con le formule viste in precedenza è possibile calcolare: Riscaldamento sensibile: [ ] q = ( h h ) = 0,05 (42 16) = 0,05 26 = 1,3 kw Umidificazione: ( ) v = xr2 x3 = 0,05 (10,8 4, 4) = 0,05 8, 4 = 0, 42 [ gvap/ s] Post-riscaldamento: q2 = ( h2 hr 2 ) = 0,05 (48 42) = 0,05 6 = 0,3 [ kw ]

13 Esercizio 1 (segue) Termodinamica dell Aria Umida R ,8 4,4

14 Esercizio 2 Termodinamica dell Aria Umida - 40 Considerando lo stesso trattamento invernale precedente, si consideri, per ragioni di risparmio energetico, una soluzione con un ricircolo di aria interna per il 25% della portata massica totale. Calcolare la potenza termica da fornire alla batteria di riscaldamento e la portata d acqua da nebulizzare nella fase di umidificazione. Soluzione I punti R2 e 2 rimangono i medesimi, in quanto l aria da immettere in ambiente deve avere le stesse caratteristiche di temperatura e umidità. Questa volta però si vuole trattare una portata d aria miscelata, composta per il 25% di aria ambiente (rappresentata dal punto 2) e per il 75% da aria esterna (che si trova nel punto 1). Se si considera una miscelazione adiabatica, il nuovo punto 1 di trattamento dell aria si troverà sul segmento che congiunge i punti 1 e 2. Per tracciarlo utilizzo le formule viste in precedenza. h h h + h = h = h h

15 Esercizio 2 (segue) Termodinamica dell Aria Umida - 41 x x x + x = x = x x Come primo passo si calcolano le portate: = [ ] 0,05 kg/s [ ] [ ] = 0,05 0, 25 = 0,01 kg/s = 0,05 0,75 = 0,04 kg/s Attraverso questi valori è possibile calcolare l entalpia specifica e l umidità assoluta del punto 1 di ingresso dell aria nell unità di trattamento; h 1 h + h 0, , ,48 + 0, = = = = ,01+ 0,04 0,05 1,12 = = 22,4 kj/kg 0,05 [ ]

16 Esercizio 2 (segue) Termodinamica dell Aria Umida - 42 x 1 x + x 0,01 10,8 + 0,04 4,4 0, , = = = = ,01+ 0,04 0,05 0, 284 = = 5, 68 g vap/kg a.s. 0,05 Il punto 1 si trova all intersezione fra l orizzontale avente x=5,68 g/kg e l isoentalpica a 22,4 kj/kg. Per trovare il punto 3 di fine riscaldamento è sufficiente tracciare il segmento orizzontale dal punto 1 fino ad incontrare l isoentalpica che passa per R2. L umidità assoluta del punto 3 è la stessa del punto 1 (riscaldamento sensibile). A questo punto si hanno tutti i parametri per effettuare il calcolo: Riscaldamento sensibile: [ ] q = ( h h ) = 0, 05 (42 22,5) = 0, 05 19,5 = 0,975 kw Umidificazione: ( x x ) 0, 05 (10,8 5, 68) 0, 05 5,12 0, 256 g /s v = R2 3' = = = vap

17 Esercizio 2 (segue) Termodinamica dell Aria Umida R2 2 22, ,8 5,68 4,4