8-Richiami Di Aria Umida

8/16/2019 8-Richiami Di Aria Umida

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Laboratorio di Sintesi FinaleModulo di Tecnica del Controllo Ambientale

Lezione 11

Aria Umida, ,

Prof. Filippo de Rossi 1/48


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Il calcolo delle proprietà dell’Aria Umida ed il Diagramma Psicrometrico

Per questo argomento, così come per la verifica a

condensa delle pareti (gennaio 2014), il testo diriferimento è:

EdilizioAutori: L. Bellia, P. Mazzei, F. Minichiello, D.PalmaEdizione: Liguori Napoli, 2006

Varie copie sono disponibili nelle biblioteche della


.


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Aria umida: generalità

L’aria umida atmosferica è una miscela di gas, composta di ariasecca e vapore acqueo :

= ARIA UMIDAAria secca+ Acqua

Azoto (78%)

Aria secca =

Argon

Altri as

Anidride carbonica (1%)



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Nelle applicazioni di Fisica Tecnica, l’aria secca è considerata come ununico gas , a composizione chimica fissata.

Aria secca

Temperatura critica = -141 °C

Pressione critica = 37,7 bar

R=0,287 kJ/kgK

Calore specifico a pressione costante (c p) =1,01 kJ/kgK



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Acqua

Temperatura critica = 374 °C

Pressione critica = 221 bar

R=0,462 kJ/kgK

a ore spec co a press one cos an e cp

= , g

L’aria umida è una miscela di:

+



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Tra i vari motivi di interesse per lo studio dell’aria umida(climatologia, studi medici, etc…), vi è sono tutte le applicazioni

-igrometrico indoor

Pertanto, il campo di interesse è:

- Pressione = p ambiente = 101 kPa

- Temperatura = T ambiente = –10 50 °C

-- L’aria secca si comporta da gas ideale (T > TL’aria secca si comporta da gas ideale (T > T cc))

In queste con izioni acca e c e:

-- L’acqua,L’acqua, con buona approssimazionecon buona approssimazione ,, si comporta dasi comporta dagas ideale (p


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Immediatamente, si ritiene opportuno richiamare la

tottot aa vv

’Il vapore acqueo e l’aria secca si

comportano come se da solitot

pa pressione parziale dell’aria secca

occupassero l’intero volume adisposizione

pv press one parz a e e vapor acqua

C Q U E O

m E C C A

I A I D A

A P O R E pv

TaV

A R I A S

paT

V

a A U M

ptotT

V

a



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L’ aria umida è studiata come una miscela di due componenti ARIA SECCA + ACQUA

indipendenti.

Una proprietà termodinamica che si può ritenere sempre nota èt

= 101,325 kPa) .

Per individuare lo stato termodinamico sono sufficienti, pertanto,


t


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Aria umida: proprietà

Le proprietà specifiche dell’aria umida vengono calcolate

,

quest’ultima resta certamente costante essendoincondensabile nel campo di temperature considerato.

UMIDITA’ SPECIFICAvm

amRappresenta una misura del valore assoluto di vapore

’.

massa di vapore e massa di aria secca.



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UMIDITA’ SPECIFICATRmVp vvv

vmTRmVp

aaa

amva pR vp6220 v p av pR vtot pp a p

ω assume valori dell’ordine di 10 -2.ω è una grandezza

Pertanto, spesso accade che m v siaespressa in grammi e m a in kg =


,


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UMIDITA’ SPECIFICAv v v p m Se aumenta – a temperatura costante –

la quantità di vapor d’acqua contenuta

vs vs v nella miscela, aumenta la sua pressione

parziale (pv) e il punto si avvicina alla

400

in passaggio in fase liquida.

300

T

200 psat

100p vT


0 2 4 6 8 10s


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UMIDITA’ RELATIVAL’umidità specifica ci dice quanta acqua c’è nell’aria (normalmente, circa unatazzina da caffè in un metro cubo).

fase liquida.Introduciamo, pertanto, l’ UMIDITA’ RELATIVA.“L’umidità relativa è espressa dal rapporto tra la massa di vapore presente in uncampione di aria umida e quella che sarebbe presente se, nelle medesimecondizioni di temperatura e pressione totale , il campione fosse costituito da aria

umida satura”.

v

mTRmV

vvsvs

vs

v

pΦ è una grandezza adimensionale il cui valore è Φ = 0 ( cioè, 0% ) → ARIA SECCA


Φ = 1 ( cioè, 100%) → ARIA SATURA


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ENTALPIA SPECIFICANelle lezioni precedenti, abbiamo definito l’entalpia specifica come PROPRIETA’TERMODINAMICA delle sostanze, in quanto combinazione lineare di proprietà (u, p, v).

H a v H H a a v vm h m h am am am

a v

ph c T L’ARIA SECCA è GAS IDEALE

a RIF p RIF h h c T T

T =0°C h =0

cp=1,01 kJ/kg K


,a


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ENTALPIA SPECIFICA

(0 ) (0 ) 2500 /vs vs lh h C h C kJ kg

L’ “entalpia latente di vaporizzazione ” èla variazione di entalpia necessaria per

v vs pvh h c T

portare l’acqua dalle condizioni di liquidosaturo a 0°C a quelle di vapore saturosecco a a s essa empera ura .Questa è Δhvs

Poi, ormai in fase di aeriforme,aggiungiamo la variazione di entalpia

°nostra effettiva temperatura. Questo èc x T.



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ENTALPIA SPECIFICANel campo di temperature considerato , cpv è il calore specifico aressione costante del va ore d’ac ua e uò essere considerato

costante e pari a 1.8 kJ/kgK.

a vh h h ,a

,v

2500 1,805 T 1,01h T



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VOLUME SPECIFICO

Anche in questo caso, si fa riferimento esclusivamente alla.

Il volume specifico è quindi il volume occupato da una massa di ariaumida pari ad 1 kg.

a a a p m a a p v V

a R T

a R T

am a p t vs p p



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TEMPERATURA DI RUGIADALa temperatura di rugiada è la temperatura di saturazione alla pressione parziale delvapor d’acqua.Cioè, è la minima temperatura (fissando l’umidità specifica) compatibile con il vapore infase aeriforme (fissando umidità specifica e pressione totale).

r , .Pertanto, la Tr è anche detta “temperatura di incipiente condensazione”.

300

T vsatr pTT

200p v

Tr T

se l’aria è satura

100 T

Tr = T


0 2 4 6 8 10s

Tr


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TEMPERATURA DI SATURAZIONE ADIABATICA

La temperatura di saturazione adiabatica è “ la temperatura alla quale si porta l’ariaquando è sottoposta ad un processo di umidificazione adiabatica fino allo stato di saturazione ”.

,valutabile in funzione dell’umidità specifica e della temperatura dell’ariaumida.

112 ,Se si misurano la temperatura di saturazione adiabatica e la temperaturadell’aria umida si può valutare l’umidità specifica.

211 T,Tf



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La portata di aria umida lambisce acqua liquida contenuta in un canale’ ’.

l’umidità specifica dell’aria umida così da avere in uscita aria satura.

m m

aria saturaω 2 T2

aria umidaT1 ω 1 Φ 1

2=acqua liquida T 2

La portata m w rappresenta l’acqua che bisogna reintegrare per mantenere ilsistema a regime stazionario.

’ ’


, 2


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m maria satura

w2 T2aria umidaT1 ω 1 Φ 1

2=wmacqua liquida T 2

bilancio di massa (ACQUA)

21 mmm w mm

w12

bilancio di energia

1 2w w

2w121

1 1 11, 0 2500 1,8T T

1 0 2500 1 8T T 2 1 24, 2 T

2 22

2 2

0,622 sat

tot sat p p T


112 ,


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TEMPERATURA DI BULBO BAGNATOLa temperatura di bulbo a bagnato non è una proprietà dell’ariaumida.

Però è facilmente misurabile ed il suo valore – se misuratoopportunamente - bene approssima quello della temperatura di

saturazione adiabatica .Si opera con uno PSICROMETRO.

Lo psicrometro consiste di due termometri:

• uno, definito termometro a bulbo secco, misura semplicementela temperatura dell'aria ;

' , ,in una garza di cotone mantenuta umida. Tale termometromisura la temperatura dell'aria satura che ha lambito il bulbo

,dell’energia termica sottratta all’aria e necessaria per l'evaporazione.


Questo metodo, fu inventato nel 1802 da C. W. Boeckmann.


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L b t i di Si t i Fi l


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IL DIAGRAMMA PSICROMETRICO

Noto il valore di 2 proprietà qualsiasi (essendo fissata la pressione totale),consente a ettura comp eta e ostato termo ‐dinamico in cui si trova

ar a um a, perme en o aconoscenza del valore di ogni altra

.

Prof. Filippo de Rossi 24/48Tba (°C)

Laboratorio di Sintesi Finale


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IL DIAGRAMMA PSICROMETRICO

Prof. Filippo de Rossi 25/48Tba (°C)



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, rugiada



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==vm vpvs vs

vω = 0,622 v 2 222 2

0,622 sat

tot sat

p

p p T

a

R T mp vvv

am

v a

a

pt vs

p pNB. Ai fini del corso di Fisica

2500 1 8 T 1 0h T Tecnica Ambientale, si prediligerà

l’uso del diagramma psicrometrico ai fini del calcolo


delle proprietà.



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Parte II z

com oste




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Modulo di Tecnica del Controllo Ambientale

SEMPLICE RISCALDAMENTO E SEMPLICE

RAFFREDDAMENTO.Si definiscono “sensibili ”, cioè non hanno effetti sull’umidità specificadell’aria umida.

Pertanto, ω resta costante. Affinché avvenga ciò, in caso di,

scambio termico deve essere non inferiore alla T di rugiadadell’aria umida.

. .BILANCIO MASSA ARIA. . .

1 2a a am m m 1 2a a BC m h Q m h . . BILANCIO ENERGIA1 2a a

. .Dal bilancio di energia si ricava la’


2 1 2 1a a p BC ,

parte di una batteria calda (Q BC

)



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RAFFREDDAMENTO SEMPLICE (senza deumidificazione)

. .BILANCIO MASSA ARIA

. . .

1 2a a am m m 1 2a a BF m m . .

BILANCIO ENERGIA

1 2a a

‐

‐

Dal bilancio di energia si ricava la potenza sottratta all’ariaumida, da parte di una batteria fredda (Q

BF )

. .

1 2 1 2a a p BF Q m h h m c T T




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RISCALDAMENTO E RAFFREDDAMENTO SENSIBILE

Verso dx: riscaldamento (Q entrante)

Verso sx: raffreddamento (Q uscente)

1 2




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MESCOLAMENTO ADIABATICODue portate di aria umida, in condizionitermodinamiche diverse si mescolano.

La portata in uscita è uguale alla somma.

. . .

1 2 3a a am m m . . . BILANCIO MASSAARIA1 2 31 2 3a a am h m h m h BILANCIO ENERGIA

. . .

1 2 31 2 3a a am m m BILANCIO MASSA ACQUA




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MESCOLAMENTO ADIABATICO

. . . . 3 1 2a a a a

. . . .

1 3 2 33 1 2/ /a a a am m m m

Graficamente, sul diagramma psicrometrico , posso unire con un segmento i 2unti. Lo stato termodinamico del unto in uscita si troverà su tale se mento .

Per trovarlo, sarà sufficiente capire che questo sarà più vicino al punto

caratterizzante la ortata massica ma iore . Calcolo la ercentuale della ortatamassica maggiore rispetto alla totale, poniamo il 60%. Il punto in uscita sarà ad unadistanza pari al complemento a 1 di tale percentuale, partendo dal punto con


, .

Laboratorio di Sintesi FinaleM d l di T i d l C ll A bi l


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MESCOLAMENTO ADIABATICO

2

1


Laboratorio di Sintesi FinaleM d l di T i d l C t ll A bi t l


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RAFFREDDAMENTO CON DEUMIDIFICAZIONE.Partendo da un punto sul diagramma psicrometrico, si raggiunge , muovendosiad umidità s ecifica costante verso tem erature inferiori la curva di umiditàrelativa al 100% e quindi la T di rugiada .

Continuando il rocesso muovendosi in basso lun o la curva U.R. 100%parte dell’acqua contenuta nell’aria umida passa in fase liquida e quindiCONDENSA.

In una prima fase (a,b), primadi andare al di sotto della T r , il

sensibile (effetti solo sulla

tem eratura , ora diviene absensibile più latente (b,c),avendo effetti sia sulla T che

c


su a ω .



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RAFFREDDAMENTO CON DEUMIDIFICAZIONE. . .1 2 3a a am m m . . .BILANCIO MASSA ARIA

1 2a a l BF lm h Q m h m h . . .

BILANCIO DI ENERGIA

1 2a a lm m m Guardiamo la potenza della Q come somma di una quota

.sensibile (QS) ed una latente (QL).

. .. .

BF S L1 1

323 2 1 2

. .. .

a aS p


1 3 1 2a a L vsm m



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RAFFREDDAMENTO CON DEUMIDIFICAZIONEDurante un processo reale di raffreddamento con deumidificazione , in uscita non avremoaria satura (U.R. 100%), poiché parte della portata d’aria non entrerà in diretto contatto con labatteria fredda.

e n sce - rappor o ra:

ARIA NON TRATTATA DALLA BATTERIA

s 2

h h1

bpsh h

attore y-pass s r uce a aumentaredei ranghi della batteria e solitamente varia tra:

• il 20% (batteria a 4 ranghi) e


• il 5% (batteria a 8 ranghi)


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UMIDIFICAZIONE

La portata di umidificazione è ovviamente la stessa nei due casi,.

. . .

1 2 3a a am m m . . .

BILANCIO MASSA ARIA

1 2a w awm h m h m h BILANCIO DI ENERGIA. . .

1 21 2a w am m m BILANCIO MASSA ACQUA




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UMIDIFICAZIONE

Il Diagramma psicrometrico ha come coordinate “ h ” ed “ ω ”.

,diagramma è rappresentata proprio da rapporto

/h

Operando sui bilanci di massa di acqua ed energia, si dimostra che tale rapporto è uguale’

/h h

w ,

Il valorehw fornisce, sul diagramma psicrometrico di Mollier, la pendenza della

- Circaisoentalpica se umidifico con acqua liquida


- rca so erma se um co con vapore



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UMIDIFICAZIONE

Il valore h w (= Δ h/ Δ ω ) fornisce, sul diagramma psicrometrico :

°. w liq p .

2. Vapore (poco sopra i 100 °C): h w = h vap = 2.7 kJ/g

÷ 0.419 kJ/g

2.7 kJ/g



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UMIDIFICAZIONE ad acqua liquida

Nel caso di umidificazione con acqua liquida, al massimo possiamoraggiungere la curva di U.R. 100%.

Introduciamo il parametro EFFICIENZA DI SATURAZIONE, inteso comevalore che ci fa capire quanto è efficiente il nostro umidificatore .

2 1 2* 1/S

Tale parametro, definito ε S , ci fornisce il rapporto tra la differenze diumidità ottenuta e quella ottenibile teoricamente .

ε S varia tra 0 ( non ho umidificato ) e 1 ( umidificazione sino a U.R. =.

Normalmente, ε S è fornito dai costruttori e raggiunge il 90% se’


.



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2 1 2* 1S c enza um caz one



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La sezione umidificante degli impianti è usata in regime invernale per umidificare l'aria in uscita dal pre-riscaldamento. L’obiettivo è aumentare’ .

Nel caso di umidificazione ad acqua liquida , l’aria si raffredda perché

cede all’acqua aggiunta l’energia necessaria per farla passare in faseaeriforme .


Fonte: il manuale della climatizzazione



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UMIDIFICAZIONE a vapore

Tale soluzione, pur incrementando la umidità specifica dell’aria, realizzauna trasformazione isoterma , la qual cosa vale a dire che non vi è

’ .l’acqua è già in fase vapore.

L’umidificazione a va ore, ertanto, non richiederà ost-riscaldamento.


disposizione verticale

Fonte: il manuale della climatizzazione



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Tipologie di Umidificatori

Ad acqua liquida Isotermi• a pacco evaporante bagnato

• ad aria compressa

• ad iniezione di vapore

• diffusori di vapore• ad acqua nebulizzata

• ad ultrasuoni

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