TRASFORMAZIONI PSICROMETRICHE

Modulo di Tecnica del Controllo Ambientale Aria um ida: generalità L aria umida atmosferica è una m iscela di gas, com posta di aria secca e vapore acqueo: Aria secca + Acqua = ARIA UMIDA Azoto (78%) Ossigeno (21%) Aria secca = Argon Anidride carbonica (1%) Altri gas Prof. Filippo de Rossi 3/ 248

Modello di gas ideale Vapor d acqua p v v = R v T R v = 0.462 kj kg K Aria secca p a v = R a T R a = 0.287 kj kg K 3

Proprietà dell aria umida Si definisce: Temperatura di bulbo asciutto T ba la temperatura della miscela di aria umida misurata da un termometro dotato di un sistema di schermatura che riduca l'influenza degli scambi termici radiativi e favorisca lo scambio termico convettivo tra fluido e sensore. Le curve a temperatura di bulbo asciutto costante hanno sul diagramma psicrometrico un andamento verticale. 4

Temperatura di bulbo asciutto T ba 5

Umidità relativa U.R. o grado igrometrico f 6

Umidità specifica o assoluta w 9

Applicando l equazione di stato dei gas ideali a ciascun componente la miscela e la legge di Dalton, si ha: Laboratorio di Sintesi Finale Modulo di Tecnica del Controllo Ambientale UMIDITA SPECIFICA = m v = ma p p v a V V m m v a R R v a T T R a p v R v p a p 0,622 v p a 0,622 pv p p tot v

Volume specifico v Il volume specifico dell'aria umida è definito come il volume occupato dall'unità di massa dell'aria secca, in quanto questa rimane costante durante le trasformazioni dell'aria umida, mentre la massa di vapore d acqua può variare (umidificazione e deumidificazione). Pertanto il volume specifico dell'aria umida coincide con quello dell'aria secca. 12

VOLUME SPECIFICO Anche in questo caso, si fa riferimento esclusivamente alla massa di aria secca. Il volume specifico è quindi il volume occupato da una massa di aria umida pari ad 1 kg. V R T p v R T p V m R T a a a a a v V m a v Ra T v Ra T p pa pt vs Prof. La Filippo costante de Rossi caratteristica R 17/ 48 a è pari a 287,13 J/kgK

ENTALPIASPECIFICA Nelle lezioni precedenti, abbiamo definito l entalpia specifica come PROPRIETA TERMODINAMICAdelle sostanze, in quanto combinazione lineare di proprietà (u, p, v). H h a m ma a H H mh v a a mv hv m a h a h v h L ARIA SECCA è GAS IDEALE a (entalpia specifica) è l energia termica che occorre fornire all aria secca per portarla dalla temperatura di riferimento 0 C alla temperatura T: h c T p h h c T T h a RIF p RIF a = c p DT = c p (T - 0) = c p T h a (entalpia specifica) è l energia termica che occorre fornire all aria secca per T R=0 C h R=0 portarla c dalla temperatura di riferimento 0 C alla temperatura T p = 1,01 kj/kgk h a = c p c=1,01 p DT kj/kg K Ch h p kj/kgk a = 1,01 DT (kj/kg a 1,01 T a ) Prof. Filippo de Rossi 13/ 48 15

ENTALPIASPECIFICA Nelle lezioni precedenti, abbiamo definito l entalpia specifica come PROPRIETA TERMODINAMICAdelle sostanze, in quanto combinazione lineare di proprietà (u, p, v). H h a m ma a H H mh v a a mv hv m a h a h v L ARIA SECCA è GAS IDEALE h c T p h v (entalpia specifica) è l energia termica che occorre fornire al vapore d acqua ha hrif cp T TRIF per: - Far evaporare a 0 C i grammi di acqua contenuti nell aria umida; T R=0 C h R=0 - Riscaldare da 0 C a T i grammi di vapore; c p =1,01 kj/kg K h a 1,01 T Prof. Filippo de Rossi 13/ 48 16

Laboratorio di Sintesi Finale Modulo di Tecnica del Controllo Ambientale ENTALPIASPECIFICA Nel campo di temperature considerato, c pv è il calore specifico a pressione costante del vapore d acqua, e può essere considerato costante e pari a 1.8 kj/kgk. h h h a v h a hv 1,01 T 2500 1,805 T h 1,01 T 2500 1,805 T 17

Entalpia specifica h 18

Temperatura di rugiada Tr Temperatura di una miscela di aria umida che ha raggiunto le condizioni di saturazione in seguito ad un raffreddamento a pressione e ad umidità specifica costanti. Le condizioni per il vapor d'acqua contenuto nell'aria umida sono quindi di incipiente condensazione. La determinazione della temperatura di rugiada si può effettuare con l ausilio di tabelle, ricordando che: p v (T) = p s (T r )

Temperatura di saturazione adiabatica Temperatura alla quale si porta una corrente d'aria umida in uscita da un condotto adiabatico, di lunghezza infinita, nel quale essa venga saturata lambendo il pelo libero di una massa d'acqua costante presente sul fondo del condotto stesso ed alla temperatura Ts. Aria umida T 1 Aria umida acqua satura T 2 = Ts 22

Temperatura di saturazione adiabatica La temperatura di saturazione adiabatica è una proprietà di stato in quanto dipende dalla stato termodinamico della corrente d'aria umida in ingresso e nella pratica coincide con la temperatura di bulbo umido o di bulbo bagnato, sebbene quest ultima, concettualmente, non sia una proprietà di stato. Le curve a temperatura di bulbo umido costante sul diagramma psicrometrico hanno un andamento molto prossimo a quello delle isoentalpiche. 24

Temperatura di bulbo umido Termometro a riempimento di liquido (tipicamente mercurio) nel quale il bulbo è avvolto in una garza imbevuta di acqua distillata. Il termometro è inserito in un condotto metallico lungo il suo asse longitudinale; alla estremità opposta, rispetto alla posizione del bulbo, è presente una ventola che aspira l'aria in direzione assiale. Il flusso d'aria umida lambisce il bulbo umido e viene quindi scaricata all'esterno in direzione radiale tramite opportune feritoie realizzate tangenzialmente sulla superficie cilindrica della camicia metallica. La garza che circonda il bulbo deve essere permanentemente imbevuta di acqua

Temperatura di saturazione adiabatica Al passaggio dell'aria umida si nota un abbassamento della colonna termometrica: se l'aria umida aspirata non è satura, una parte dell'acqua contenuta nella garza evapora trasferendosi all'aria. L'energia termica necessaria per l'evaporazione, detta anche calore latente di evaporazione, viene sottratta all'elemento sensibile che quindi si raffredda. La velocità di evaporazione, quindi la rapidità con cui diminuisce la temperatura del bulbo bagnato, dipende, a parità di velocità della corrente aspirata, dal grado igrometrico dell'aria umida.

Umidità assoluta w Diagramma psicrometrico f (1%,100%) w = cost Temperatura bulbo asciutto, T bs 28

boratorio di Sintesi Finale odulo di Tecnica del Controllo Ambientale, rug a 29 a

Linea di saturazione T r = Ts T bs = 30

IL DIA RAMMA P I R METRI DIAGRAMMA PSICROMETRICO T ba ( C) 31 25/ 48

h A h S S A w T r T b,s T b,u 32

Trasformazioni aria umida Riscaldamento o raffreddamento a titolo costante Miscelazione adiabatica di due correnti di aria Deumidificazione Umidificazione adiabatica 34

Laboratorio di Sintesi Finale Modulo di Tecnica del Controllo Ambientale RISCALDAMENTOE RAFFREDDAMENTO SENSIBILE Verso dx: riscaldamento (Q entrante) Verso sx: raffreddamento (Q uscente) 1 2 35

Laboratorio di Sintesi Finale Modulo di Tecnica del Controllo Ambientale SEMPLICE RISCALDAMENTO E SEMPLICE RAFFREDDAMENTO. Si definiscono sensibili, cioè non hanno effetti sull umidità specifica dell aria umida. Pertanto, resta costante. Affinché avvenga ciò, in caso di raffreddamento, la temperatura superficiale della batteria di scambio termico deve essere non inferiore alla T di rugiada dell aria umida.... RISCALDAMENTO m m m. a1 a2 a. m h Q m h a 1 BC a 2 BILANCIO MASSA ARIA BILANCIO ENERGIA.. m m BILANCIO MASSA ACQUA a 1 a 2 Dal bilancio di energia si ricava la potenza fornita all aria aria umida, da parte di una batteria calda (Q BC ).. Q m h h m c T T BC a 2 1 a p 2 1 Prof. Filippo de Rossi 29/ 48 38

Modulo di Tecnica del Controllo Ambientale RAFFREDDAMENTO SEMPLICE (senza deumidificazione)... m m m a1 a2 a.. m h m h Q a 1 a 2 BF BILANCIO MASSA ARIA BILANCIO ENERGIA.. m m BILANCIO MASSA ACQUA a 1 a 2 Dal bilancio di energia si ricava la potenza sottratta all aria umida, da parte di una batteria fredda (Q BF ).. Q m h h m c T T BF a 1 2 a p 1 2 Prof. Filippo de Rossi 30/ 48 39

Riscaldamento a umidità specifica costante (w=0) 40

Raffreddamento a umidità specifica costante (w=0) 41

Esercizi 42

Laboratorio di Sintesi Finale Modulo di Tecnica del Controllo Ambientale RISCALDAMENTOE RAFFREDDAMENTO SENSIBILE Verso dx: riscaldamento (Q entrante) Verso sx: raffreddamento (Q uscente) 1 2 43

Laboratorio di Sintesi Finale Modulo di Tecnica del Controllo Ambientale MESCOLAMENTO ADIABATICO Due portate di aria umida, in condizioni termodinamiche diverse,, si mescolano. La portata in uscita è uguale alla somma delle portate massiche in entrata.... m m m a1 a2 a3... m h m h m h a1 1 a2 2 a3 3... a1 1 a2 2 a3 3 BILANCIO MASSA ARIA BILANCIO ENERGIA m m m BILANCIO MASSA ACQUA 45

Laboratorio di Sintesi Finale Modulo di Tecnica del Controllo Ambientale MESCOLAMENTO ADIABATICO.... h h m / m h m / m 3 1 a 1 a 3 2 a 2 a 3.... m / m m / m 3 1 a1 a3 2 a2 a3 Graficamente, sul diagramma psicrometrico, posso unire con un segmento i 2 punti. Lostatote termodinamico code del punto in uscita tas si troverà àsuta tale eseg segmento. e Per trovarlo, sarà sufficiente capire che questo sarà più vicino al punto caratterizzante la portata massica maggiore. Calcolo la percentuale della portata massica maggiore rispetto alla totale, poniamo il 60%. Il punto in uscita sarà ad una distanza pari al complemento a 1 di tale percentuale, partendo dal punto con portata massica maggiore(quindi, 40%). 46

Laboratorio di Sintesi Finale Modulo di Tecnica del Controllo Ambientale MESCOLAMENTO ADIABATICO 2 3 1 Prof. Filippo de Rossi 34/ 48 48

Laboratorio di Sintesi Finale Modulo di Tecnica del Controllo Ambientale RAFFREDDAMENTO CON DEUMIDIFICAZIONE. Partendo da un punto sul diagramma psicrometrico, si raggiunge,muovendosi ad umidità specifica costante verso temperature inferiori, la curva di umidità relativa al 100%e quindi la Tdi rugiada. Continuando il processo pocesso (muovendosi e in basso lungo la curva U.R. 100%), parte dell acqua contenuta nell aria umida passa in fase liquida e quindi CONDENSA. In una prima fase (a,b), prima di andare al di sotto della T r, il raffreddamento era stato sensibile (effetti solo sulla temperatura), ora diviene b a sensibile più latente (b,c), c avendo effetti sia sulla T che sulla. 49

Laboratorio di Sintesi Finale Modulo di Tecnica del Controllo Ambientale RAFFREDDAMENTO CON DEUMIDIFICAZIONE... m m m a1 a2 a3... BILANCIO MASSA ARIA m h Q m h m h a 1 BF a 2 l... m m m a 1 a 2 l BILANCIO MASSA ACQUA l BILANCIO DI ENERGIA Guardiamo la potenza della Q BF come somma di una quota sensibile (Q S ) ed una latente (Q L ). 2 1 1 3 Q Q Q BF S L..... Q ma h h ma c T T S 3 2 p 1 2.... Q ma h h ma h 1 3 vs 1 2 Prof. Filippo de Rossi 36/ 48 L 50

Laboratorio di Sintesi Finale Modulo di Tecnica del Controllo Ambientale UMIDIFICAZIONE Può essere di due tipi: 1. Ad acqua liquida, spruzzata all interno della corrente d aria. 2. A vapore, iniettato all interno della corrente daria. d aria Nel primo caso, è una trasformazione quasi ISOENTALPICA Nel secondo caso, induce un incremento di ENTALPIA. 51

MIDIFICAZIONE 2 2 A vapore 1 1 rof. Filippo de Rossi 39/ 48 52

Laboratorio di Sintesi Finale Modulo di Tecnica del Controllo Ambientale UMIDIFICAZIONE La portata di umidificazione è ovviamente la stessa nei due casi, a parità di.... m m m a1 a2 a3... a 1 w w a 2 BILANCIO MASSA ARIA m h m h m h BILANCIO DI ENERGIA... m m m BILANCIO MASSA ACQUA a1 1 w a2 2 53

Laboratorio di Sintesi Finale Modulo di Tecnica del Controllo Ambientale UMIDIFICAZIONE Il Diagramma psicrometrico ha come coordinate h ed. Pertanto, la pendenza di un segmento di retta in tale diagramma è rappresentata proprio da rapporto h / Operando sui bilanci di massa di acqua ed energia, si dimostra che tale rapporto è uguale a h w (entalpiadell dell acqua acqua, in fase liquida o aeriforme) h / h w Il valore h w fornisce, sul diagramma psicrometrico di Mollier, la pendenza della trasformazione di umidificazione: - Circa isoentalpica se umidifico con acqua liquida - Circa isoterma se umidifico con vapore Prof. Filippo de Rossi 41/ 48 54

UMIDIFICAZIONE Il valore h w (= h/ ) fornisce, sul diagramma psicrometrico: 1. Acqua liquida (tra 0 e 100 C): h w = h liq = c p x T = 0 0.419 kj/g 2. Vapore (poco sopra i 100 C): h w = h vap = 2.7 kj/g 0.419 kj/g 2.7 kj/g 55

Laboratorio di Sintesi Finale Modulo di Tecnica del Controllo Ambientale UMIDIFICAZIONE ad acqua liquida Nel caso di umidificazione con acqua liquida, al massimo possiamo raggiungere la curva di U.R. 100%. Introduciamo il parametro EFFICIENZA DI SATURAZIONE, inteso come valore che ci fa capire quanto è efficiente il nostro umidificatore. S / 2 1 2* 1 Tale parametro, definito S, ci fornisce il rapporto tra la differenze di umidità ottenuta e quella ottenibile teoricamente. S varia tra 0 (non ho umidificato) e 1 (umidificazione sino a U.R. = 100%). Normalmente, S è fornito dai costruttori e raggiunge il 90% se l umidificatore è di buona qualità. 58

Laboratorio di Sintesi Finale Modulo di Tecnica del Controllo Ambientale UMIDIFICAZIONE ad acqua liquida Efficienzai di umidificazione i S Prof. Filippo de Rossi 45/ 48 / 2 1 2* 1 59

Laboratorio di Sintesi Finale Modulo di Tecnica del Controllo Ambientale UMIDIFICAZIONE ad acqua liquida La sezione umidificante degli impianti è usata in regime invernale per umidificare l'aria in uscita dal pre-riscaldamento. L obiettivo è aumentare l umidità specifica della portata di aria trattata. Nel caso di umidificazione ad acqua liquida, l aria si raffredda perché cede all acqua aggiunta l energia necessaria per farla passare in fase aeriforme. Fonte: il manuale della climatizzazione Prof. Filippo de Rossi 46/ 48 60

Laboratorio di Sintesi Finale Modulo di Tecnica del Controllo Ambientale UMIDIFICAZIONE a vapore Tale soluzione, pur incrementando la umidità specifica dell aria, realizza una trasformazione isoterma, la qual cosa vale a dire che non vi è riduzione della temperatura da parte dell aria umidificata. Questo perché l acqua è già in fase vapore. L umidificazione a vapore, pertanto, non richiederà post-riscaldamento. Diffusione di vapore multiplo a disposizione verticale Fonte: il manuale della climatizzazione 61 Prof. Filippo de Rossi 47/ 48

Laboratorio di Sintesi Finale Modulo di Tecnica del Controllo Ambientale Tipologie di Umidificatori Ad acqua liquida a pacco evaporante bagnato ad aria compressa ad acqua nebulizzata ad ultrasuoni Isotermi ad iniezione di vapore diffusori di vapore Prof. Filippo de Rossi 48/ 48 62