Esercitazione 8: Aria Umida

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1 Esercitazione 8: Umida 8.1) Dell aria alla temperatura di 40 C e pressione atmosferica ha una temperatura di bulbo umido di 30 C. Calcolare l umidità assoluta, l umidità relativa e il punto di rugiada L aria di cui al punto (a) passa in un umidificatore dal quale esce alla temperatura di 50 C e con una temperatura di bulbo bagnato di 46 C. Calcolare la saturazione relativa dell aria uscente dall umidificatore e il peso di H 2 O evaporata per 1000 m 3 di aria in ingresso. 8.2) Si consideri l impianto di condizionamento d aria schematizzato in figura. L aria ambiente, alla temperatura (massima estiva) di 35 C e con una umidità relativa (massima) del 70% deve essere portata ad una temperatura di 23 C e ad una umidità relativa del 55%. A tale fine, l aria viene prima raffreddata ad una temperatura T più bassa di 23 C per condensare l acqua in eccesso e poi riscaldata da T a 23 C. Si calcoli: Il valore T La massa di acqua condensata per ogni m 3 di aria (umida) trattata Le potenze termiche Q1 e Q2 impegnate, rispettivamente, al refrigerante ed al post-riscaldamento per una portata di aria (umida) di 10 m 3 /h. Ove necessario, si utilizzino i seguenti dati: peso molecolare aria secca: 29 calore specifico (costante con la temperatura) dell aria secca: 0.24 cal/gk calore specifico (costante con la temperatura) del vapor d acqua: 0.45 cal/gk Q 1 umida T Q 2 condizionata Condensa 8.3) Dell'aria a pressione atmosferica ha una temperatura di bulbo umido di 22 C ed una temperatura di bulbo secco di 31 C. Determinare l'umidità relativa, l'umidità assoluta ed il punto di rugiada. [Ris: H r=47%; H =0.013 Kg/Kg as ; T r =18 C] Calcolare i kg di acqua contenuti in 100 m 3 di aria. [Ris: 1.47 Kg] 8.4) Si vuol mantenere dell'aria entrante in un fabbricato alla temperatura costante di 24 C ed all'umidità percentuale del 40%. A tale scopo l'aria viene fatta passare attraverso una camera a pioggia, nella quale viene raffreddata e saturata con acqua. L'aria che esce dalla camera a pioggia viene quindi riscaldata a 24 C. Si supponga che l'aria e l'acqua lascino la camera a pioggia alla stessa temperatura. Qual è la temperatura dell'acqua uscente? [Ris: 15.5 C] Determinare il contenuto d'acqua nell'aria del fabbricato, in kg di acqua per kg di aria secca. [Ris: Kg/Kg as ] c) Se l'aria entra nella camera a pioggia alla temperatura di 32 C e con un umidità percentuale del 65%, quanta acqua verrà evaporata o condensata nella camera a pioggia per kg di aria secca? [Ris: Kg/Kg as ] 54

2 8.5) Dell'aria a 25 C, 740 mm Hg e 75% di umidità relativa è compressa a 10 atm. Se la compressione è isoterma quale è lo stato finale del sistema A quale temperatura bisogna raffreddare l'aria per condensare il 90% dell'acqua? Con riferimento ad 1 m 3 di aria iniziale, quale sarà il volume della miscela gas-vapore a 10 atm 8.6) (Prova d esame del 13 febbraio 2012): Un impianto di essiccazione per paste alimentari viene alimentato con 1 tonnellata/ora di pasta umida alla temperatura di 20 C, contenente una percentuale di acqua pari al 100% del peso secco (ogni kg di pasta secca contiene 1 kg di acqua), che fuoriesce completamente secca alla temperatura di 50 C. L essiccamento è condotto grazie ad una corrente d aria di 10 Nm 3 /s che è disponibile a 25 C (temperatura di bulbo secco), con un umidità relativa del 40%, viene preriscaldata ad una temperatura T e successivamente alimentata all impianto da cui fuoriesce ad una temperatura di bulbo secco di 50 C. Si consideri il calore specifico della pasta secca cp p.s. costante con la temperatura e pari a 0.3 cal/g. Calcolare: La portata termica Q al preriscaldatore. La temperatura T dell aria in uscita dal preriscaldatore entrante nell impianto. L umidità relativa delle correnti entrante e uscente dall impianto. 50 C Pasta umida 20 C Pasta secca 50 C T C Q Svolgimento: 25 C Da un bilancio di energia globale sull intero impianto, si ottiene Q = H = = n '()' cp -. '()',- + M '()'H 2 -. cp M 3,4,6,- 3, m <.>. cp <.>. + cp 3,4,? λ 3,4, = = kcal = 952 Mcal h = 1.1 MW Dove n aria sono le kilomoli/h di aria secca in ingresso, che possono essere approssimate alle kilomoli totali di aria umida in ingresso, trascurando le moli di vapore. m p.s. è la quantità in peso di pasta secca, in kg/h, che, quando umida, corrisponde ad una pari quantità di acqua. M aria e M H2O sono il peso molecolare dell aria e dell acqua, H 1 è l umidità assoluta dell aria in ingresso, pari a kg/kg A.S., ricavabile da un diagramma psicometrico nota la temperatura di bulbo secco e l umidità relativa. La portata di aria secca in ingresso è 10 Nm 3 /s = 10*44.6 moli/s = 446 moli/s = 446*28.9 g/s = 12.9 kg/s = 46.4 ton/h 55

3 Dal diagramma psicrometrico è possibile ricavare che l aria in ingresso a 25 C ha un entalpia specifica h 1 =69 kj/kg A.S.. Al preriscaldatore viene fornito un calore per kg di aria secca pari a q= 1.1/15.4 MJ/Kg A.S. = 71.4 kj/kg A.S., quindi l entalpia specifica dell aria in uscita dal preriscaldatore h 2 =h 1 +q= = kj/kg A.S.. Poiché la corrente 2 di aria avrà la stessa umidità assoluta della corrente 1, pari a kg/kg A.S, è possibile trovare il punto rappresentativo della corrente sul diagramma psicometrico dal quale si ricava una temperatura di 117 C. Sempre sul diagramma psicrometrico si legge che l umidità relativa della corrente entrante nell impianto è pari a circa H R2 = 0.8%. Il punto corrispondente alla corrente uscente dall impianto si trova ad una temperatura di bulbo secco di 50 C e un umidità assoluta pari alla somma di H 1 e dell acqua evaporata dalle paste, per kg di aria secca in ingresso. H 3 = H 1 +1/55.4= Da cui l umidità relativa dell aria in uscita è pari a H R3 = 35% 8.7) La temperatura di bulbo bagnato dell aria alimentata ad un umidificatore è di 25 C, mentre la sua temperatura è di 30 C. Si determini: 1. L umidità relativa dell aria in questione. [Ris: H R = 68%] 2. La portata di acqua da alimentare (a 25 C) all umidificatore per rendere l aria satura, nell ipotesi che la portata di aria alimentata (con la sua umidità) sia, in kg/h, pari al vostro numero di matricola. [Ris: m H2O = Kg/h per n matr=1] 8.8) (Prova intercorso di termodinamica del ) Un essiccatore per paste alimentari utilizza aria ambiente, inizialmente a 25 C e con umidità relativa del 40%, preriscaldando tale aria a 50 prima di inviarla sulla pasta. L aria esce dall essiccatore, anch esso riscaldato, ancora a 50 e con umidità relativa dell 80%. Supponendo di dover produrre una quantità di pasta in quintali/h pari all ultima cifra del vostro numero di matricola aumentata di 1, e sapendo che ogni kg di pasta in uscita ha perso per evaporazione 200 gr di acqua, si calcoli la portata di aria, espressa in kg di aria secca, necessari per effettuare l operazione descritta. [Ris: m as =340 Kg/h per n matr=1] 8.9) (Prova intercorso di termodinamica del ) 100 m 3 di aria umida vengono raffreddati da temperatura ambiente (25 C) a T = 5 C. Se l umidità relativa dell aria era inizialmente pari al 60%, si calcoli la massa m di acqua condensata. [Ris: m H2O =0.697 Kg] 8.10) Dell aria a pressione atmosferica ed H R = 50% viene compressa in maniera isoterma. A quale pressione si comincia a formare condensa? [Ris: P 2 =2 atm] 8.11) Da aria a 750 mmhg, 30 C e H p = 60% si vuole eliminare il 90% dell acqua presente tramite compressione isoterma. A che pressione occorre arrivare? [Ris: 15.8 atm] 56

4 8.12) 500m 3 /h di aria entrano in un umidificatore a pressione atmosferica con una temperatura di bulbo secco di 30 C ed una umidità relativa del 40%. Nell umidificatore vengono inviati 8 kg/h di acqua liquida a 25 C. Supponendo che il processo sia adiabatico determinare le condizioni dell aria uscente dall umidificatore. 8.13) L impianto schematizzato in figura consiste in un compressore seguito da un refrigeratore e poi da un separatore di condensa, L impianto serve a generare aria compressa a 7 atm. La portata di aria in ingresso è di 15 Nm 3 /h. Assumendo (per semplicità) che l aria (anche l aria umida) segua il comportamento del gas ideale, si calcoli: La temperatura dell aria compressa all uscita dal compressore assumendo che l aria ambiente si trova a 25 C e ad una umidità relativa del 60%. La potenza del compressore. c)la quantità di acqua condensata in uscita dal separatore di condensa supponendo che l aria compressa venga raffreddata fino a 20 C. d) Il calore scambiato al refrigeratore. Refrigerante Condensa ambiente 8.14) (II prova intercorso del 22 maggio 2014). In un laboratorio di microelettronica (avente volume pari a 45 m 3 ) è necessario effettuare 20 ricambi all ora di aria allo scopo di controllare le condizioni ambientali. L aria in ingresso ha un umidità relativa H R1 = 70% ed una temperatura T 1 = 30 C, mentre le condizioni dell aria richieste sono H R2 = 40% e T 2 = 20 C. Queste condizioni vengono realizzate facendo passare l aria in ingresso attraverso un refrigeratore, facente parte di un impianto frigorifero che utilizza come fluido refrigerante l HFC, ed in uno scambiatore di calore S, come riportato nello schema in figura. Si calcoli: 57

5 1. il calore Q scambiato in S; 2. la massa di acqua condensata; 3. la potenza del compressore P c. Ove necessario, si utilizzino i seguenti dati: peso molecolare aria secca P Ma = 29, calore specifico (costante con la temperatura) dell aria secca c pa = 0.24 cal/gk, calore specifico (costante con la temperatura) del vapor d acqua c pv = 0.45 cal/gk. 58