Aria Umida Proprietà, Trasformazioni, Diagramma Psicrometrico

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1 Lezione 11 Ari Umid Proprietà, Trsformzioni, Digrmm Psicrometrico

2 Prte I Il clcolo delle proprietà dell Ari Umid ed il Digrmm Psicrometrico Ari Umid, Climtizzzione ed Inolucro Edilizio Autori: L. Belli, P. Mzzei, F. Minichiello, D. Plm Edizione: Liguori Npoli, 2006 Vrie copie sono disponibili nelle biblioteche dell Fcoltà di Ingegneri ed Architettur.

3 Ari umid: generlità L ri umid tmosferic è un miscel di gs, compost di ri secc e pore cqueo: Ari secc + Acqu = ARIA UMIDA Azoto (78%) Ossigeno (21%) Ari secc = Anidride crbonic (1%) Argon e ltri gs in bss concentrzione

4 Ari umid: generlità Nelle ppliczioni di Fisic Tecnic, l ri secc è considert come un unico gs, composizione chimic fisst. Ari secc Tempertur critic = -141 C (cioè K) Pressione critic = 37,7 br R= 287 J/kgK Clore specifico pressione costnte (c p ) =1,01 kj/kgk

5 Ari umid: generlità Acqu Tempertur critic = 374 C ( K) Pressione critic = 221 br R=462 J/kgK Clore specifico pressione costnte (c p ) =1,805 kj/kgk (fse pore) L ri umid è un miscel di: ARIA SECCA + VAPORE ACQUEO

6 Ari umid: generlità Tr i ri motii di interesse per lo studio dell ri umid (climtologi, studi medici, etc ), i è sono tutte le ppliczioni reltie ll climtizzzione mbientle ed l comfort termoigrometrico indoor Pertnto, il cmpo di interesse è: - Pressione = p mbiente = 101 kp - Tempertur = T mbiente = C In queste condizioni ccde che: L ri secc si comport d gs idele (T > T c ) L cqu, con buon pprossimzione, si comport d gs idele (p << p c )

7 ARIA UMIDA ARIA SECCA VAPORE ACQUEO Uniersità degli Studi di Npoli Federico II - Corso di Studi in Scienze dell Architettur Ari umid: generlità Immeditmente, si ritiene opportuno richimre l LEGGE DI DALTON ptot = p + p p tot p p pressione totle dell ri umid pressione przile dell ri secc pressione przile del por d cqu Il pore cqueo e l ri secc si comportno come se d soli occupssero l intero olume disposizione p tot m = V T + p m T V p m V T

8 Ari umid: generlità L ri umid è studit come un miscel di due componenti (ARIA SECCA + ACQUA) Per indiidure lo stto termodinmico occorrono 3 proprietà indipendenti. Un proprietà termodinmic che si può ritenere sempre not è l pressione totle dell miscel pri ll pressione mbiente (p t = 101,325 kp). Per indiidure lo stto termodinmico sono sufficienti, pertnto, 2 proprietà indipendenti oltre ll pressione totle p t

9 Ari umid: proprietà Le proprietà specifiche dell ri umid engono clcolte riferendosi ll sol mss di ri secc, in qunto solo quest ultim rest certmente costnte essendo "incondensbile" nel cmpo di temperture considerto. UMIDITA SPECIFICA Rppresent un misur del lore ssoluto di pore presente in un mss di ri. m ω= m E definit dl rpporto di mss di pore e mss di ri secc.

10 UMIDITA SPECIFICA m ω= m R R p p p p p 0,622 p V m R V m R 0,622 p tot T T p p ω è un grndezz dimensionle Quindi, ω = g/kg ω ssume lori dell ordine di Pertnto, spesso ccde che m si espress in grmmi e m in kg

11 UMIDITA SPECIFICA Se ument tempertur costnte l quntità di por d cqu contenut nell miscel, ument l su pressione przile (p ) e il punto si icin ll cur di sturzione ll qule iene in pssggio in fse liquid. 400 T 300 p V m R T p V m R T s s 200 p st 100 T p s

12 UMIDITA RELATIVA L umidità specific ci dice qunt cqu c è nell ri (normlmente, circ un tzzin d cffè in un metro cubo). Non ci dice null però su qunto simo prossimi o meno l pssggio di quest in fse liquid. Introducimo, pertnto, l UMIDITA RELATIVA. L umidità relti è espress dl rpporto tr l mss di pore presente in un cmpione di ri umid e quell che srebbe presente se, nelle medesime condizioni di tempertur e pressione totle, il cmpione fosse costituito d ri umid stur. p V m R T p V m R T s s m m s p p s Φ è un grndezz dimensionle il cui lore è compreso tr 0 e 1 Φ = 0 (cioè, 0%) ARIA SECCA Φ = 1 (cioè, 100%) ARIA SATURA

13 ENTALPIA SPECIFICA Nelle lezioni precedenti, bbimo definito l entlpi specific come PROPRIETA TERMODINAMICA delle sostnze, in qunto combinzione linere di proprietà (u, p, ). h H m H m H m h h h m m h L ARIA SECCA è GAS IDEALE h c T p h h c T T RIF p RIF T R =0 C h R =0 c p =1,01 kj/kg K h 1,01T T è in C

14 ENTALPIA SPECIFICA 1,01 h h h T hs cp T h hs cp T PERCHE???? L ARIA SECCA è GAS IDEALE Perché l nostro punto di riferimento (T RIF =0 C, h RIF = 0 kj/kg, p RIF = 0.6 kp), simo in fse di liquido sturo. Poiché negli studi di ri umid simo in fse eriforme (considerimo gs idele), llor l entlpi specific del pore d cqu srà clcolbile come c p x T, sommndo però tle lore l entlpi ltente di porizzzione ). h h (0 C) h (0 C) 2500 kj / kg s s l

15 ENTALPIA SPECIFICA h h (0 C) h (0 C) 2500 kj / kg s s l L entlpi ltente di porizzzione è l rizione di entlpi necessri per portre l cqu dlle condizioni di liquido sturo 0 C quelle di pore sturo secco ll stess tempertur di 0 C. Quest è Δh s Poi, ormi in fse di eriforme, ggiungimo l rizione di entlpi per portre tle por sturo 0 C ll nostr effetti tempertur. Questo è c p x T. h hs cp T

16 ENTALPIA SPECIFICA Nel cmpo di temperture considerto, c p è il clore specifico pressione costnte del pore d cqu, e può essere considerto costnte e pri kj/kgk. h h h h h 1,01T ,805T h 1,01T ,805T

17 VOLUME SPECIFICO Anche in questo cso, si f riferimento esclusimente ll mss di ri secc. Il olume specifico è quindi il olume occupto d un mss di ri umid pri d 1 kg. p V m R T p R T V m R p T p t R T p s

18 TEMPERATURA DI RUGIADA L tempertur di rugid è l tempertur di sturzione ll pressione przile ssegnt del por d cqu. Cioè, è l minim tempertur comptibile con il pore in fse eriforme, fissndo umidità specific e pressione totle. Al di sotto dell T r, il pore condens. Pertnto, l T r è nche dett tempertur di incipiente condenszione. 400 T 300 T T r st p Tr T p T se l ri è stur Tr = T T r s

19 TEMPERATURA DI SATURAZIONE ADIABATICA L tempertur di sturzione dibtic è l tempertur ll qule si port l ri qundo è sottopost d un processo di umidificzione dibtic fino llo stto di sturzione. L tempertur di sturzione dibtic è un proprietà termodinmic, lutbile in funzione dell umidità specific e dell tempertur dell ri umid. T f T, Se si misurno l tempertur di sturzione dibtic e l tempertur dell ri umid si può lutre l umidità specific. f T, T 1 1 2

20 TEMPERATURA DI SATURAZIONE ADIABATICA L portt di ri umid lmbisce cqu liquid contenut in un cnle dibtico. L eporzione dell cqu f umentre lungo il percorso l umidità specific dell ri umid così d ere in uscit ri stur. m ri umid T 1 ω 1 Φ 1 cqu liquid T 2 m ri stur ω 2 T 2 Φ 2 =100% L portt m w rppresent l cqu che bisogn reintegrre per mntenere il sistem regime stzionrio. Si ipotizz che l cqu si troi ll stess tempertur di uscit dell ri, T 2

21 TEMPERATURA DI SATURAZIONE ADIABATICA m ri umid T 1 ω 1 Φ 1 cqu liquid T 2 bilncio di mss (ACQUA) m m w m 1 2 bilncio di energi mh m h mh 1 w w m w h m m w 2 1 hw 2 1 h m ri stur w 2 T 2 Φ 2 =100% 1, 0T ,8 T1 4,2T , 0T ,8 T ,622 2 T 2 f T1, tot p T 2 st 2 p p T 1 2 st 2

22 TEMPERATURA DI BULBO BAGNATO L tempertur di bulbo bgnto non è un proprietà dell ri umid. Però è fcilmente misurbile ed il suo lore se misurto opportunmente - bene pprossim quello dell tempertur di sturzione dibtic. Si oper con uno PSICROMETRO. Lo psicrometro consiste di due termometri: uno, definito termometro bulbo secco, misur semplicemente l tempertur dell'ri; l'ltro, definito termometro bulbo bgnto, h il bulbo olto in un grz di cotone mntenut umid. Tle termometro misur l tempertur dell'ri stur che h lmbito il bulbo bgnto, che è inferiore quell di bulbo secco cus dell energi termic sottrtt ll ri e necessri per l'eporzione. Questo metodo, fu inentto nel 1802 d C. W. Boeckmnn.

23 TEMPERATURA DI BULBO BAGNATO Come detto, l T bb (tempertur di bulbo bgnto) non è un proprietà dell ri umid perché dipende d fenomeni di trsporto di mss, energi e conezione termic. L tempertur di sturzione dibtic (T*) inece lo srebbe (dipendendo solo d tempertur in ingresso e umidità specific in ingresso), m non è prticmente misurbile. Se si dottno le seguenti cutele nell misur dell tempertur di bulbo bgnto, QUESTA BENE APPROSSIMA LA TEMPERATURA DI SATURAZIONE ADIABATICA. L cqu di cui è impregnt l grz che olge il bulbo bgnto dee essere distillt. I sensori deono schermti dll rdizione. L grz dee essere sterile. Le elocità dell ri deono essere comprese tr 2.5 e 4 m/s. In tli circostnte, medinte opportun misur con lo psicrometro, l TEMPERATURA DI BULBO BAGNATO BENE APPROSSIMA LA T*

24 IL DIAGRAMMA PSICROMETRICO DIAGRAMMA PSICROMETRICO Noto il lore di 2 proprietà qulsisi (essendo fisst l pressione totle), consente l lettur complet dello stto termo-dinmico in cui si tro l ri umid, permettendo l conoscenz del lore di ogni ltr proprietà. T b ( C)

25 IL DIAGRAMMA PSICROMETRICO DIAGRAMMA PSICROMETRICO T b ( C)

26 Proporre esempi sull lettur del digrmm, nche con riferimento T rugid

27 RICAPITOLANDO p tot = p + p m p ω= 0,622 m h V m R 1,0 T p T p p t R ,8 T T m m p s s p V tot m p s p ps 2 0, 622 p p R (T ) s T NB. Ai fini del corso di Fisic Tecnic Ambientle, si prediligerà l uso del digrmm psicrometrico i fini del clcolo delle proprietà.

28 Prte II Le trsformzioni semplici e composte

29 SEMPLICE RISCALDAMENTO E SEMPLICE RAFFREDDAMENTO. Si definiscono sensibili, cioè hnno effetti sull Tempertur (T b T bb ), m non sull umidità specific dell ri umid. Pertnto, ω rest costnte. Affinché eng ciò, in cso di rffreddmento, l tempertur superficile dell btteri di scmbio termico dee essere non inferiore ll T di rugid dell ri umid.... RISCALDAMENTO m. 1 m2 m. m h Q m h. 1. BC 2 m m 1 2 Dl bilncio di energi si ric l potenz fornit ll ri umid, d prte di un btteri cld (Q BC ) e BILANCIO MASSA ARIA BILANCIO ENERGIA BILANCIO MASSA ACQUA BC. Q BC.. Q m h h m c T T 2 1 p 2 1

30 RAFFREDDAMENTO SEMPLICE (senz deumidificzione)... m m m.. m h m h Q BF m 1 2 m 1 2 BILANCIO MASSA ARIA BILANCIO ENERGIA BILANCIO MASSA ACQUA -. Q BF Dl bilncio di energi si ric l potenz sottrtt ll ri umid, d prte di un btteri fredd (Q BF ) BF.. Q m h h m c T T 1 2 p 1 2

31 RISCALDAMENTO E RAFFREDDAMENTO SENSIBILE Verso dx: riscldmento (Q entrnte) Verso sx: rffreddmento (Q uscente) 1 2

32 MESCOLAMENTO ADIABATICO Due portte di ri umid, in condizioni termodinmiche dierse, si mescolno. L portt in uscit è ugule ll somm delle portte mssiche in entrt.... m m m m h m h m h m m m BILANCIO MASSA ARIA BILANCIO ENERGIA BILANCIO MASSA ACQUA

33 MESCOLAMENTO ADIABATICO.... h h 3 1 m1/ m3 h m 2 2/ m m1/ m3 2 m2/ m3 Grficmente, sul digrmm psicrometrico, posso unire con un segmento i 2 punti. Lo stto termodinmico del punto in uscit si troerà su tle segmento. Per trorlo, srà sufficiente cpire che questo srà più icino l punto crtterizznte l portt mssic mggiore. Clcolo l percentule dell portt mssic mggiore rispetto ll totle, ponimo il 60%. Il punto in uscit srà d un distnz pri l complemento 1 di tle percentule, prtendo dl punto con portt mssic mggiore (quindi, 40%).

34 MESCOLAMENTO ADIABATICO Esempio di indiiduzione grfic del punto di uscit, spendo che l portt 1 è il 60% del totle 1 3 2

35 RAFFREDDAMENTO CON DEUMIDIFICAZIONE. Prtendo d un punto sul digrmm psicrometrico, si rggiunge, muoendosi d umidità specific costnte erso temperture inferiori, l cur di umidità relti l 100% e quindi l T di rugid. Continundo il processo (muoendosi in bsso lungo l cur U.R. 100%), prte dell cqu contenut nell ri umid pss in fse liquid e quindi CONDENSA. In un prim fse (,b), prim di ndre l di sotto dell T r, il rffreddmento er stto sensibile (effetti solo sull tempertur), or diiene sensibile più ltente (b,c), endo effetti si sull T che sull ω. c b

36 RAFFREDDAMENTO CON DEUMIDIFICAZIONE... m m m m h Q m h m h 1 BF 2 l... m m m 1 2 l BILANCIO MASSA ARIA BILANCIO MASSA ACQUA Q Q Q l BF S L BILANCIO DI ENERGIA Gurdimo l potenz dell Q BF come somm di un quot sensibile (Q S ) ed un ltente (Q L ) QS m h3 h2 m cp T1 T2.... QL m h1 h3 m hs 1 2

37 RAFFREDDAMENTO CON DEUMIDIFICAZIONE Durnte un processo rele di rffreddmento con deumidificzione, in uscit non remo ri stur (U.R. 100%), poiché prte dell portt d ri non entrerà in diretto conttto con l btteri fredd. Si definisce FATTORE DI BY-PASS il rpporto tr: ARIA NON TRATTATA DALLA BATTERIA PORTATA TOTALE CHE FLUISCE s 2 1 F bp h h 2 1 h h s s Il fttore di by-pss si riduce ll umentre dei rnghi dell btteri e solitmente ri tr: il 20% (btteri 4 rnghi) e il 5% (btteri 8 rnghi)

38 UMIDIFICAZIONE Può essere di due tipi: 1. Ad cqu liquid, spruzzt ll interno dell corrente d ri. 2. A pore, iniettto ll interno dell corrente d ri. 1. Nel primo cso, è un trsformzione qusi ISOENTALPICA 2. Nel secondo cso, induce un incremento di ENTALPIA (l trsformzione è isoterm circ).

39 A pore Uniersità degli Studi di Npoli Federico II - Corso di Studi in Scienze dell Architettur UMIDIFICAZIONE

40 UMIDIFICAZIONE L portt di umidificzione è oimente l stess nei due csi, prità di Δω.... m m m m h m h m h 1 w w 2... m m m 1 1 w 2 2 BILANCIO MASSA ARIA BILANCIO DI ENERGIA BILANCIO MASSA ACQUA

41 UMIDIFICAZIONE Il Digrmm psicrometrico h come coordinte h ed ω. Pertnto, l pendenz di un segmento di rett in tle digrmm è rppresentt proprio d rpporto h / Operndo sui bilnci di mss di cqu ed energi, si dimostr che tle rpporto è ugule h w (entlpi dell cqu, in fse liquid o eriforme) h / hw Il lore h w fornisce, sul digrmm psicrometrico di Mollier, l pendenz dell trsformzione di umidificzione: - Circ isoentlpic se umidifico con cqu liquid - Circ isoterm se umidifico con pore

42 UMIDIFICAZIONE Il lore h w (= Δh/Δω) fornisce, sul digrmm psicrometrico: 1. Acqu liquid (tr 0 e 100 C): h w = h liq = c p x T = kj/g 2. Vpore (poco sopr i 100 C): h w = h p = 2.7 kj/g kj/g 2.7 kj/g

43 UMIDIFICAZIONE

44 UMIDIFICAZIONE d cqu liquid Nel cso di umidificzione con cqu liquid, l mssimo possimo rggiungere l cur di U.R. 100%. Introducimo il prmetro EFFICIENZA DI SATURAZIONE, inteso come lore che ci f cpire qunto è efficiente il nostro umidifictore. S / 2 1 2* 1 Tle prmetro, definito ε S, ci fornisce il rpporto tr l differenze di umidità ottenut e quell ottenibile teoricmente. ε S ri tr 0 (non ho umidificto) e 1 (umidificzione sino U.R. = 100%). Normlmente, ε S è fornito di costruttori e rggiunge il 90% se l umidifictore è di buon qulità.

45 UMIDIFICAZIONE d cqu liquid Efficienz di umidificzione / S 2 1 2* 1

46 UMIDIFICAZIONE d cqu liquid L sezione umidificnte degli impinti è ust in regime inernle per umidificre l'ri in uscit dl pre-riscldmento. L obiettio è umentre l umidità specific dell portt di ri trttt. Nel cso di umidificzione d cqu liquid, l ri si rffredd perché cede ll cqu ggiunt l energi necessri per frl pssre in fse eriforme. Fonte: il mnule dell climtizzzione

47 UMIDIFICAZIONE pore Tle soluzione, pur incrementndo l umidità specific dell ri, relizz un trsformzione isoterm, l qul cos le dire che non i è riduzione dell tempertur d prte dell ri umidifict. Questo perché l cqu è già in fse pore. L umidificzione pore, pertnto, non richiederà post-riscldmento. Diffusione di pore multiplo disposizione erticle Fonte: il mnule dell climtizzzione

48 Tipologie di Umidifictori Ad cqu liquid pcco epornte bgnto d ri compress d cqu nebulizzt d ultrsuoni Isotermi d iniezione di pore diffusori di pore FINE

49 VERIFICA A CONDENSA i A B Inentre dti e fre l'esercizio e 1. Clcolo del flusso termico trsmesso (medinte l equzione dei meccnismi combinti di trsmissione del clore). 2. Clcolo delle cdute di tempertur d ogni interfcci. 3. Clcolo delle temperture di ogni interfcci murri. 4. Clcolo delle pressioni di sturzione d ogni interfcci (dipendenti dll sol T INTERFACCIA ). 5. Determinzione di p i e p e prtire dgli stti termodinmici dell ri umid intern ed estern e clcolo del flusso di pore (medinte l legge di Fick). 6. Clcolo delle cdute di pressione przile del pore d ogni interfcci. 7. Clcolo delle pressioni przili del pore d ogni interfcci. 8. Verific, d ogni interfcci, che le pressioni przili del pore sino INFERIORI lle pressioni di sturzione clcolte l punto 4.