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1 1 FISICA TECNICA 1 CORSO%DI%% FISICA%TECNICA%1% A.A.% % Sezione%03c%!! Prof. Ing. Sergio Montelpare! Dipartimento INGEO! Università G. d Annunzio Chieti-Pescara"

2 Termodinamica dell aria umida" L aria atmosferica è una miscela di gas, composta principalmente da azoto ed ossigeno; in minor quantità sono presenti anche argon, anidride carbonica ed altri gas. Insieme a questi c è il vapor d acqua, o umidità. La presenza di vapore acqueo ha una duplice azione: condiziona il benessere di un individuo all interno di un ambiente ed influisce sull integrità dell involucro dell ambiente stesso. Per questo motivo è necessario in molti casi un sistema di condizionamento dell aria.! La Termodinamica dell Aria Umida è il ramo della Fisica Tecnica che studia il comportamento dell aria atmosferica (o aria umida) e le sue trasformazioni, che sono alla base della progettazione dei sistemi di condizionamento.! Aria Umida = Miscela di Aria Secca + Vapore d Acqua Aria Ossigeno 23% Azoto 75% Argon 1,3% CO 2 0,04% Altri 0,66%

3 Aria Secca e Vapore" L aria priva di vapor d acqua è definita Aria Secca; in questo ambito è conveniente trattare l aria come una miscela di vapore e aria secca, in quanto la composizione di quest ultima non cambia mentre la quantità di vapor d acqua dipende da molti fenomeni naturali, tra cui l evaporazione o la condensazione dell acqua dei mari, della pioggia o addirittura della sudorazione del corpo umano.! Il Vapore Acqueo è definito come l acqua allo stato gassoso con temperatura minore di quella critica; in tale situazione nel caso di cessione di calore può aver luogo la condensazione del vapore in liquido.! Nei range di lavoro tipici del condizionamento, ovvero fra -10 [ C] e 50 [ C], le variazioni del calore specifico a pressione costante dell aria secca sono sostanzialmente trascurabili ed assumere un valore costante pari a [kj/kg/ C] comporta un errore inferiore allo 0.2%. Nebbia!

4 R a = R M a = 287 [J / kg K] Legge di Dalton" Potendo trattare l aria come una miscela binaria di gas, vale la Legge di Dalton, secondo cui la pressione totale di una miscela è data dalla somma delle singole pressioni parziali.! P = P a + P v R v = R M v = 462 [J / kg K] P: pressione totale della miscela (pressione atmosferica)! P a : pressione parziale dell aria secca! P v : pressione parziale del vapor d acqua! Per Pressione Parziale si intende la pressione che il gas avrebbe se da solo occupasse tutto il volume contenente la miscela.! Alle temperature ordinarie entrambi i gas, a meno di piccoli errori, possono essere trattati come Gas Perfetti, per cui è possibile utilizzare sia per l aria secca che per il vapor d acqua l Equazione di Stato:! P a V = m a R a T aria P v V = m v R v T vapor d'acqua M a = 28,966 [kg / kmol] M v = 18,012 [kg / kmol] Oltre a ciò, la pressione parziale del vapore d acqua è sensibilmente inferiore alla pressione atmosferica.!

5 x = m v m a = P v V R v T P a V R a T = R a R v P v P a = Umidità Assoluta" La quantità di vapor d acqua contenuta nell aria può essere descritta direttamente come la massa di vapore associato ad 1 kg di aria secca: questo rapporto viene definito Umidità Assoluta o Specifica.! Umidità Assoluta o Specifica! Ipotizzando il comportamento di gas ideale ideale sia per il vapor d acqua che per l aria secca, è possibile utilizzare l equazione di stato per esprimere l umidità assoluta in funzione delle pressioni:! kpa m3 kg K kpa m3 kg K P v P a = P v P a = P v P P v Esplicitando la pressione parziale del vapor d acqua in funzione della x e della pressione totale, si può vedere come la pressione parziale di vapore aumenti all aumentare dell umidità specifica.! P v = x = m vapore m aria secca x x P = P x x denominatore rapporto Come si vedrà nella prossima slide, la massima pressione che può raggiungere il vapor d acqua nell aria umida è legata alla pressione di saturazione corrispondente alla temperatura dell aria.!

6 Umidità Assoluta" Se si parte da una condizione di aria secca a pressione ambiente ( [kpa]), la pressione totale coinciderà con quella dell aria secca e la pressione di vapore sarà nulla. Aumentando il contenuto di vapor d acqua, nella stessa massa di aria secca, si avrà un aumento della pressione parziale di vapore sino ad arrivare ad un valore oltre cui la massa d aria non sarà più in grado di contenerlo. In queste condizioni l aria è detta satura e la pressione parziale del vapore raggiunge la pressione di saturazione o tensione del vapore P sat. Ogni ulteriore aggiunta di vapore si presenterà in forma liquida come condensa. Per meglio comprendere questo comportamento si può diagrammare il comportamento dell acqua in termini di pressione e volume; in tal modo è evidente osservare che, mantenendosi a temperatura costante ed aumentando la pressione parziale del vapore, si arriva ad incontrare la linea dei vapori saturi e poi si arriva alla regione dei liquidi.!!

7 Umidità Assoluta" La pressione di saturazione può essere derivata dalle tabelle dell acqua satura o, alternativamente, prendendo atto che la pressione di saturazione P sat dipende solo dalla temperatura secondo la formula:! P sat = exp ln T T T( C) P sat (kpa) 15 1, , , ,246 E bene ricordare che nella formula la temperatura è espressa in Kelvin. In sintesi se la pressione parziale del vapor d acqua, in qualsiasi momento, sale al di sopra della pressione di saturazione a quella data temperatura, si avrà formazione di condensa.! ( ) [ Pa] Esempio: T = 25 [ C] P sat,acqua@25 C = [ kpa] P = [ kpa] x sat = P sat = P P sat = kg vapore x = 0 P v = 0 kpa [ ] [ ] [ ] [ ] x = P v = kpa x = P v = kpa x = P v = kpa kg ariasecca

8 8! FISICA TECNICA 1 T ( C) p sat (kpa) Pressione di saturazione dell acqua" P sat = exp ln T T T ( C) p sat (kpa) T ( C) p sat (kpa) T ( C) p sat (kpa) 0,01 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,35 ( ) [ Pa] 13 1, , , , , ,

9 Umidità Relativa" Il benessere di un individuo all interno di un ambiente dipende dalla massa di vapor d acqua che l aria contiene rapportata alla massima quantità che essa potrebbe contenere alla stessa temperatura (ovvero in condizioni di saturazione). Questo rapporto prende il nome di Umidità Relativa.! U.R. = φ = m v m sat Anche in questo caso è possibile esprimere l umidità relativa in funzione delle pressioni:! U.R. = φ = m v m sat = P v V R v T P sat V R v T = P v P sat La U.R. varia fra 0 (aria secca) ed 1 (aria satura): per questo motivo viene in genere espressa in percentuale.! Da questa espressione si può notare che, poiché P sat dipende dalla temperatura, anche U.R. sarà condizionata da essa. In particolare se la temperatura aumenta, la P sat cresce e la U.R. diminuisce, mentre l umidità assoluta (e quindi la P v ) rimane costante.! Ricordando che P v = φ = P v P sat = x P si ottiene x x x P P sat e x = φ P sat P φ P sat

10 Entalpia Specifica dell Aria Umida" Essendo una miscela di gas, l entalpia totale dell aria umida è data dalla somma delle entalpie totali dell aria secca e del vapore d acqua.! H = H a + H v Nei calcoli viene in genere utilizzata l entalpia specifica, ovvero l entalpia per unità di massa. Poiché la massa del vapore d acqua è piccola se comparata a quella dell aria secca, si riferisce l entalpia dell aria umida all unità di massa dell aria secca:! h = H m a = H a + H v m a = m ah a + m v h v m a In questa compaiono:!!h a : entalpia specifica dell aria secca!!!!x: umidità assoluta!!!!h v : entalpia specifica del vapor d acqua! h = h a + x h v

11 Nell ipotesi del comportamento ideale, l entalpia dell aria umida è funzione della sola temperatura.! Per quanto riguarda l aria secca, l entalpia specifica si calcolo con l espressione seguente:! h a = c p,a t kj kg aria secca kj c p,a = 1,005 kg C Entalpia Specifica dell Aria Umida" dove è il calore specifico a pressione costante dell'aria secca L entalpia del vapore d acqua si può assumere come coincidente con l entalpia del vapore saturo a parità di temperatura, approssimabile con la formula:! h v h sat = t In alternativa, anche la h v può essere ricavata dalle tabelle riguardanti il vapore saturo:! t ( C) h V (kj/kg) , , , ,3 kj kg vapore

12 Dato un ambiente di dimensioni 5x5x3 m 3 contenente aria a 25 C e 100 kpa, avente umidità relativa pari al 75%, determinare le masse di aria secca e di vapor d acqua presenti nell ambiente e l entalpia specifica dell aria umida.! Soluzione! Si può innanzitutto riportare, direttamente dalle tabelle:! Nota la p sat e la U.R. è possibile ricavare la pressione parziale del vapore:! U.R. = P v Psat ESERCIZIO"!p sat@25 C =3,169 kpa! P v = U.R. P sat = = 2.38 [ kpa] Dal valore della pressione del vapore si ricava, per la legge di Dalton, la pressione parziale dell aria secca:! P = P a + P v P a = P P v = = [ kpa] Poiché sia l aria che il vapore riempiono l intero ambiente alle rispettive pressioni parziali, si ha:!! V a =V v =V=3x5x5=75 [m 3 ]! Attraverso i valori trovati ed utilizzando l equazione di stato è possibile ricavarsi le masse:!

13 ESERCIZIO (segue)" FISICA TECNICA 1 P V = m R T m a = P a V R a T m v = P v V R v T = = Ottenute le masse è possibile calcolare l umidità assoluta:! = [ kg] = 1.3 [ kg] x = m v = 1.3 m a = kg vapore kg aria secca Per calcolare l entalpia specifica dell aria umida oltre al valore di x occorre ricavare i valori delle entalpie di aria secca e vapor d acqua:! h a = c p,a t = = [ kj/kg] h v h sat = = [ kj/kg] E possibile quindi calcolare:! h = h a + x h v = [ kj/kg]

14 Temperatura di rugiada" In determinate condizioni climatiche può capitare di osservare la formazione di condensa su superfici fredde.! Questo avviene perché all abbassarsi della temperatura l aria tende a diventare satura; infatti, diminuendo la T, si abbassa anche la pressione di saturazione, fino ad uguagliare il valore della pressione parziale del vapore provocando così la condensazione (U.R. = 100%).! T AMB! condensa! T R! La temperatura di rugiada T R è definita come la temperatura di inizio della condensazione, considerando un processo in cui l umidità assoluta (e quindi la pressione parziale del vapor d acqua) rimane costante."

15 Il fenomeno della rugiada si può presentare, in inverno, con formazione di condensa superficiale sulle pareti di un ambiente confinante con l esterno; questo fatto è più frequente in prossimità dei ponti termici, in cui è più probabile che la temperatura superficiale scenda al di sotto della temperatura di rugiada.! I valori della temperatura di rugiada sono funzione solo della pressione parziale del vapor d acqua e sono normalmente ricavabili dalle tabelle o dai grafici.! ES.! ambiente a 20 [ C], 1 [atm], U.R. = 75%! P v = U.R. P sat@20 C = = T R = T sat@1.754 kpa 15 C Temperatura di rugiada" [ ] [ kpa] condensa! p v (kpa) t R ( C)

16 Temperatura di bulbo secco" La conoscenza del valore dell umidità, sia essa assoluta o relativa, è alla base della verifica termoigrometrica degli ambienti. Occorre quindi correlare tale parametro con delle grandezze fisiche facilmente misurabili come la temperatura o la pressione.! La temperatura comunemente misurata con un qualsiasi termometro è definita Temperatura di Bulbo Secco t BS.! Dalla T BS è possibile ricavare la pressione di saturazione del vapore attraverso le tabelle viste in precedenza.! A questo punto per ricavare la U.R. è sufficiente conoscere la pressione parziale del vapore nell ambiente.! Poiché tale valore è legato alla temperatura di rugiada, è sufficiente misurare quest ultima e, dalle tabelle viste in precedenza, risalire al valore della pressione parziale.!

17 Igrometro a condensazione" In questo modo si può realizzare un Igrometro a condensazione o ad appannamento:! Se si raffredda gradualmente una superficie lucida misurandone la temperatura, al primo insorgere dell appannamento si otterrà la temperatura di rugiada.! t BS P sat t R P v U.R. = P v P sat Questo approccio è molto semplice ma non risulta preciso.! Gli igrometri moderni più sofisticati sono sicuramente molto più attendibili in quanto consentono la lettura della temperatura di rugiada attraverso sistemi elettro-ottici.!

18 Trasformazione di Saturazione Adiabatica" Un altro metodo di misura dell umidità sfrutta una trasformazione di saturazione adiabatica:!! si prenda un canale sufficientemente lungo, isolato termicamente e contenente acqua, in cui fluisce una corrente d aria di umidità (assoluta) x1 e temperatura (di bulbo secco) T1.! T A! x A! Ф A! h A! T l = T s! h l! Acqua! Aria fredda e umida! T B =T s < T 1! x B =x s > x A" Ф B =1! h B ~ h A! L acqua presente nel canale evapora, miscelandosi con la corrente d aria che la lambisce: in tal modo il contenuto di vapore nell aria aumenta e la temperatura diminuisce, poiché l acqua per evaporare sottrae calore all aria con conseguente abbassamento della sua temperatura.! Se il canale è abbastanza lungo l acqua ne esce satura, in equilibrio termico con la massa d acqua, a T 2 e x 2.! La temperatura dell aria satura in uscita è detta Temperatura di saturazione adiabatica (ed è minore della T di bulbo secco)!

19 Temperatura di Bulbo Umido" Nella pratica, per non dover utilizzare un lungo canale, si ricorre ad un sistema di ugelli che nebulizza l acqua direttamente all interno della corrente d aria. In tal modo di riduce l ingombro del sistema e se ne aumenta l efficacia.! Si realizza così un umidificatore.! La trasformazione di saturazione adiabatica risulta utile in quanto è possibile, dalla misura delle temperature di ingresso ed uscita del canale, risalire al valore dell umidità della corrente d aria. Questo significa che per misurare l umidità è sufficiente conoscere i valori della temperatura di bulbo secco e di saturazione adiabatica.! Per realizzare una misura più pratica si ricorre all uso di un termometro il cui bulbo sia immerso in una garza di cotone imbevuta di acqua, sulla quale venga inviata una corrente d aria. La temperatura così misurata è detta Temperatura di bulbo umido T BU.!! Acqua! Aria calda e secca! Aria fredda e umida!

20 Psicrometro " La trasformazione che avviene sulla garza è molto simile a quella di saturazione adiabatica, con la corrente d aria forzata che lambisce il cotone e ne fa evaporare il liquido abbassando la propria temperatura.! In generale la temperatura di bulbo umido si discosta dalla T di saturazione adiabatica, ma in generale se si utilizza la T BU si commettono errori minimi.! Per quanto detto si può pensare di montare due termometri (uno dei quali inserito in una garza bagnata) sullo stesso strumento. In tal modo è possibile leggere contemporaneamente la temperatura di bulbo secco e di bulbo umido.! Si realizza così uno Psicrometro.! Per risalire dalla misura delle due temperature al valore dell umidità relativa si ricorre alle formule o ad opportune tabelle pratiche (Tabelle Psicrometriche).!

21 ESERCIZIO" Le temperature di bulbo secco e di bulbo umido misurate in un ambiente a pressione atmosferica (p= kpa) sono rispettivamente 25 C e 15 C. Calcolare l umidità assoluta e l umidità relativa.! Soluzione" Dai valori delle temperature di bulbo secco e di bulbo umido si può risalire immediatamente, attraverso la tabella psicrometrica, al valore dell umidità relativa U.R.:! T BS = 25 C T BU = 15 C U.R. 35% Per calcolare l umidità assoluta dal valore dell umidità relativa si passa attraverso il calcolo della pressione parziale del vapor d acqua:! U.R. = P v P sat P v = U.R. P sat Il valore della pressione di saturazione può essere calcolata con la formula vista in precedenza o ricavata dalle tabelle del vapore saturo:! P sat@25 C = Attraverso tale valore è possibile calcolare:! [ kpa] P v = U.R. P sat = = [ kpa] L umidità assoluta è calcolabile attraverso la sua espressione in funzione delle pressioni:! x = 0,622 P v P P v = = = kg / kg vap a.s.

22 Tabella Psicrometrica"

23 Il diagramma Psicrometrico" FISICA TECNICA 1 Il diagramma psicrometrico è lo strumento che si usa nella pratica per la progettazione: in esso sono riportate tutte le coordinate dell aria umida. In tal modo è semplice seguire le trasformazioni che l aria! subisce durante i processi di condizionamento.! Tutti i parametri sono forniti per la pressione atmosferica di [kpa]! T di bulbo! umido! Entalpia! Umidità Relativa! Titolo! T di bulbo secco!

24 I trattamenti dell aria umida" FISICA TECNICA 1 Lo studio termodinamico di tali trattamenti è fortemente semplificato dall uso del diagramma psicrometrico.! Raffreddamento! Umidificazione! Deumidificazione! Riscaldamento! Umidità specifica! Temperatura di bulbo asciutto!

25 Il diagramma Psicrometrico" Qualsiasi trasformazione che comporti uno scambio termico può essere suddivisa sul diagramma in due contributi: uno sensibile ed uno latente. Lo scambio termico sensibile è accompagnato da una variazione di temperatura di bulbo secco mentre quello latente da una variazione di umidità assoluta, dovuta all evaporazione dell acqua o alla condensazione del vapore.! Flusso termico sensibile! Q sens = m a ( h C h A ) [W] Flusso termico latente! Q lat = m a ( h B h C ) [W] Portata di vapore! m v = m a ( x B x A ) [kg / s] h A! h C! A! h B! B! C! T A! T B! x B! x A!

26 Riscaldamento-Raffreddamento Sensibile" Utilizzando un sistema di riscaldamento semplice, quale una resistenza elettrica o il condensatore di una pompa di calore, si fornisce calore all aria senza cambiare il contenuto di vapore presente: la trasformazione che ne segue è un segmento orizzontale sul diagramma, corrispondente ad una trasformazione a titolo costante (che corrisponde ad umidità assoluta e quindi pressione parziale costanti). Si può notare come l U.R. diminuisca all aumentare della T bs. Il discorso è analogo nel caso del raffreddamento.! Nella pratica, per realizzare una simile trasformazione, si fa passare l aria attraverso una batteria riscaldante o raffreddante.! Poiché il titolo dell aria rimane costante, la quantità di calore sensibile scambiata durante la trasformazione è pari a:! T A! x A! Ф A! h A! Aria" Batteria" riscaldante" Un riscaldamento semplice, però, può portare a valori troppo bassi di U.R., così come un raffreddamento la può alzare al di sopra della soglia consentita dal benessere dell individuo. Per questo motivo, spesso è necessario intervenire anche sul titolo.! Q sens = m A (h B h A ) Q lat = 0 [ W] Q i [ W] T B > T A! x B = x A! Ф B < Ф A! h B > h A!

27 Riscaldamento Sensibile" FISICA TECNICA 1 A B 25% 7 27

28 Raffreddamento Sensibile" FISICA TECNICA 1 B A 25% 7 27

29 Umidificazione" L umidificazione può avvenire attraverso due differenti tipi di processo: aggiungendo vapore a temperatura ambiente o spruzzando acqua in una corrente d aria.! Nel primo caso è ovvio che cresce il contenuto di vapore nell aria: il problema risiede nella temperatura del vapor d acqua immesso che deve essere prossima alla T ambiente, per non inviare aria troppo calda.!! A! B! x B! x A!

30 Saturazione Adiabatica" 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.! T l = T s h A = c p,a T A + x A r 0 + c p,v T A h l = c p,l T l ( ) ( ) h B = h s = c p,a T s + x s r 0 + c p,v T s x s x A = acqua che si trasforma in vapore Dal I Principio per sistemi con deflusso h A + h l ( x s x A ) = h s h A è dell'ordine di c p,a T 1 = 1 kj kg C T 1 h l è dell'ordine di h l = c p,l T l = 1,92 kj kgk T l x s x A è dell'ordine di gr kg quindi 10 3 T A! x A! Ф A! h A! Aria calda e secca! T l = T s! h l! Acqua! Acqua! Aria fredda e umida! T B =T s < T 1! x B =x s > x A" Ф B =1! h B ~ h A! Aria fredda e umida! h l ( x s x A ) h A h S h A

31 Saturazione Adiabatica" 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.! 5,5 B A

32 Q i FISICA TECNICA 1 Raffreddamento con deumidificazione" 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.! 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.! T A" x A" Ф A" h A" Aria" Scarico della condensa" T C < T A" x C < x A" Ф C = 1" h C < h A" Per calcolare la massa di acqua condensata ed il calore totale da asportare all aria si utilizzano le formule sotto riportate:! m v = (x C x B ) m a Q sens = m a (h A h B ) + m a (h B' h C ) Q lat = m a (h B h B' ) Q tot = Q sens + Q lat Q tot = m a ( h B h A ) + m a ( h B' h B ) + m a (h C h B' ) = m A (h C h A ) 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 post-riscaldamento.!

33 Raffreddamento con deumidificazione" FISICA TECNICA 1 7,5 B C B A

34 Miscelazione Adiabatica" 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. Considerando due portate in ingresso al miscelatore ed applicando i principi di conservazione della massa e dell energia si trova:! Aria Secca: m a,1 + m a,2 = m a,3 I Vapor d'acqua: m a,1 x 1 + m a,2 x 2 = m a,3 x 3 II ( ) ( ) ( ) Calore: m a,1 h 1 + m a,2 h 2 = m a,3 h 3 III ( ) con la ( II) e con la ( III) si ottiene: ( ) = m a,2 ( x 3 x 2 ) Combinando la I m a,1 x 1 + m a,2 x 2 = ( m a,1 + m a,2 ) x 3 m a,1 x 1 x 3 m a,1 h 1 + m a,2 h 2 = ( m a,1 + m a,2 ) h 3 m a,1 h 1 h 3 quindi m a,1 m a,2 = x 3 x 2 x 1 x 3 m a,1 m a,2 = h 3 h 2 h 1 h 3 m a,1 m a,2 = ( ) = m a,2 ( h 3 h 2 ) Per trovare il punto 3 di uscita della corrente d aria dal miscelatore è possibile applicare una semplice costruzione geometrica.!

35 Miscelazione Adiabatica" FISICA TECNICA 1 7,5 A 35 C C C B 7 16

36 Condizionamento dell aria" Tutte le trasformazioni viste sul diagramma psicrometrico sono utilizzate per il condizionamento dell aria; quest ultimo può essere diviso in tre fasi:! 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 esterna!

37 Condizionamento dell aria: Trattamento Invernale" FISICA TECNICA 1 C D A B

38 Condizionamento dell aria: Trattamento Invernale" 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.!! 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! T A! x A! Ф A! h A! Q i AB T B! x B! Ф B! h B! T C! x C! Ф C! h C! Q i CD T D! x D! Ф D! h D! Batteria di preriscaldamento" Saturatore adiabatico" Batteria di postriscaldamento" 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.!

39 Esercizio 1" 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.! 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 sulla 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.!

40 Si ricavano:! x 1 = 4,4 h 1 = 16 g vap /Kg a.s. [ KJ/Kg a.s. ] Esercizio 1 (segue)" h R2 = h 3 = 42 [kj / kg a.s. ] x 2 = 10,8 h 2 = 48 g vap /Kg a.s. [ KJ/Kg a.s. ] La portata massica deve essere convertita in unità del sistema internazionale:! m = 180 [ kg/h] = Con le formule viste in precedenza è possibile calcolare:! Riscaldamento sensibile:! Umidificazione:! Post-riscaldamento:! = 0.05 [ kg/s] Q 1 = m (h 3 h 1 ) = 0.05 (42 16) = = 1.3 m v = m ( x R2 x 3 ) = [ kw] ( ) = = 0.42 g vap s Q 2 = m (h 2 h R2 ) = 0.05 (48 42) = = 0.3 [kw]

41 Esercizio 1 (segue)" FISICA TECNICA 1 R

42 Esercizio 2" 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.! m 2 = h h 1 1 h 1 m 1 1 h = m h + m h m 1 + m 2 h Come primo passo si calcolano le portate:! m = 0,05 [ kg/s] m 2 = = m 1 = = m 2 = x x 1 1 x 1 m 1 1 x = m x + m x m 1 + m 2 x [ kg/s] [ 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 = m h + m h m 1 + m 2 = = = = 24 [ kj/kg]

43 x 1 = m x + m x = m 1 + m 2 Esercizio 2 (segue)" , Il punto 1 si trova all intersezione fra l orizzontale avente x=6 [g/kg] e l isoentalpica a 24 [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:! Umidificazione:! = Q 1 = m (h 3 h 1 ) = 0.05 (42 24) = = 0.9 [ kw] m v = m (x R2 x 3' ) = 0.05 (10.8 6) = = 0.24 g vap /s = = 6 g /kg vap a.s.

44 Esercizio 2 (segue)" FISICA TECNICA 1 R

45 T A! x A! Ф 1! h A! Condizionamento dell aria : Trattamento Estivo" 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.! Batteria di" raffreddamento e di deumidificazione" Q g AB T B! x B! Ф B! h B! Q g BC Batteria di" postriscaldamento" T C! x C! Ф C! h C! La potenza termica scambiata è data da! Q i AB = mi a ( h B h A ) La potenza termica scambiata è data da! Q i BC = mi a ( h C h B )

46 Condizionamento dell aria : Trattamento Estivo" FISICA TECNICA 1 B! C! A!