psicrometria (richiami) - … · psicrometria (richiami) livio de santoli, francesco mancini...
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PSICROMETRIA
(richiami)
Livio de Santoli, Francesco Mancini
Università La Sapienza di [email protected]
www.eeplus.it
www.ingenergia.it
2F. Mancini, Sapienza Università di Roma
• L’aria che ci circonda è una miscela di vari componenti, alcuni allo stato di gas,
altri allo stato di vapore.
• Tra i componenti gassosi, i componenti principali sono l’azoto e l’ossigeno,
mentre il vapore acqueo è il principale componente allo stato di vapore.
Introduzione
Componente % Peso % VolumeOssigeno O2 23,188 20,99Azoto N2 75,468 78,03Argon Ar 1,296 0,94Anidride Carbonica CO2 0,046 0,03Idrogeno H2 e altri gas 0,002 0,01
• Il contenuto di gas nell’aria atmosferica è pressoché costante; per questo motivo, è
possibile definire aria secca un gas le cui caratteristiche sono ottenute pesando
opportunamente le caratteristiche dei gas in essa contenuti.
• Diversamente, la quantità di vapore acqueo presente nell’aria può variare notevolmente,
rimanendo comunque in piccole proporzioni.
• La miscela di aria secca e vapore d’acqua è detta aria umida.
• Lo studio delle trasformazioni termodinamiche dell’aria umida costituisce l’oggetto della
psicrometria.
3F. Mancini, Sapienza Università di Roma
• Per le considerazioni riguardanti la
climatizzazione, visti i valori di temperatura e
pressione, l’aria umida può essere trattata come
una miscela di due gas perfetti: aria secca e
vapore d’acqua.
• La pressione atmosferica, per la legge di
Dalton, è pertanto somma delle pressioni
parziali dell’aria secca e del vapore d’acqua.
Pressione di vapore e pressione di saturazione
Gas A
Temperatura T
Volume V
Pressione pA
pAV = nART
Gas B
Temperatura T
Volume V
Pressione pB
pBV = nBRT
Miscela (Gas A+ Gas B)
Temperatura T
Volume V
Pressione p = pA + pB
n = nA + nB
pV = nRT
• La pressione parziale del vapore dipende dal contenuto di vapore d’acqua nell’aria
• A partire da una massa di aria secca, aggiungendo vapore, la pressione parziale del vapore
tende ad aumentare fino ad arrivare alla pressione di saturazione.
• In queste condizioni, l’aria umida si dice satura e non è più in grado di accogliere vapore
d’acqua.
• La pressione di saturazione varia in funzione della temperatura ed è crescente con questa;
al crescere della temperatura, cresce la capacità dell’aria di contenere vapore d’acqua.
• Il legame tra pressione di saturazione e temperatura è espresso attraverso tabelle o funzioni
interpolanti.
Grandezze caratteristiche dell’aria umida
Umidità specifica (o titolo) è il rapporto fra la massa di vapore d’acqua e quella di aria secca.
as
v
m
mx
Il grado igrometrico è il rapporto fra la massa di vapore contenuta in una massa di aria
umida ad una data temperatura e la quantità massima di vapore che si avrebbe in condizioni
di saturazione alla stessa temperatura. Se espresso in percentuale è detto umidità relativa
(UR).
sat
v
satv
v
p
p
m
m
,
Entalpia specifica è il rapporto tra l’entalpia dell’aria umida e la massa di aria secca.
vvasasvasauhmhmHHH
vasv
as
v
as
as
as
as
au hxhhm
mh
m
m
m
Hh
Tchaspas
,
Tcrhvpv
,
TcxrxTcTcrxTchvpaspvpasp
,,,,
rxTchasp
,
5
Diagramma psicrometrico
En
talp
ia s
pec
ific
a [
kJ/k
g as]
Um
idit
à s
pecif
ica
[g
v/k
ga
s]
Temperatura [°C]
0
5
10
15
20
25
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
-10
-50
5
510
15
20
25
25
30
35
40
40
45
50
50
60
65
70
75
80
85
90
95
100DIAGRAMMA PSICROMETRICO
TEMPERATURE NORMALI
Pressione barometrica 101.325 Pa
LIVELLO DEL MARE
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
• Lo stato fisico di un sistema come l’aria umida, costituito da due componenti e da una sola fase, è
descritto da tre coordinate termodinamiche (regola delle fasi): sono necessarie tre variabili
indipendenti per determinarne lo stato.
• Tuttavia, nelle applicazioni inerenti la climatizzazione, la pressione rimane costante (è una variabile
che di fatto non varia, con variazioni molto limitate legate alle condizioni atmosferiche),
semplificando sia la determinazione dello stato sia la sua rappresentazione.
6
Equazioni di bilancio per le trasformazioni dell’aria
• Le diverse trasformazioni dell’aria umida possono essere schematizzate considerando
un sistema aperto in cui:
- entrano o escono portate d’aria;
- entrano o escono portate d’acqua;
- entrano o escono potenze termiche.
• La portata in massa di acqua può essere allo stato di vapore o allo stato liquido; può
essere trasportata all’interno dell’aria umida oppure può essere immessa o sottratta da
sola.
• La potenza termica può essere trasportata dall’aria umida oppure può essere immessa o
sottratta direttamente.
u
u
i
imm 0
u
vLuu
i
iimmxmxm 0
u
vvLLuu
i
iiQhmhmhmhm 0
Riscaldamento dell’aria umida
1
Q
2
En
talp
ia s
pec
ific
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kJ/k
g as]
Um
idit
à s
pecif
ica
[g
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ga
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Temperatura [°C]
0
5
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20
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-10
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5
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15
20
25
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50
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70
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85
90
95
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100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
1 2
021 mm
02211 xmxm
02211
Qhmhm
mmm 21
21xx
12
hhmQ
• Può essere realizzato in vari modi: con una serpentina in cui scorre acqua calda, con una resistenza
elettrica, con il condensatore di una pompa di calore.
• Per cedere calore all’aria le sorgenti indicate devono avere una temperatura maggiore di quella
dell’aria. Maggiore è la differenza di temperatura tra le sorgenti e l’aria, maggiore è la facilità con cui
si realizzerà lo scambio termico.
• umidità specifica costante
• entalpia crescente
• temperatura crescente
• umidità relativa decrescente
021 mm 0
2211 xmxm 0
2211 Qhmhm 0
21 mm 0
2211 xmxm 0
2211 Qhmhm
Raffreddamento dell’aria umida
021 mm
02211 xmxm
mmm 21
21xx
• Valido fintanto che l’umidità relativa non raggiunge il valore del 100%, ossia fintanto che l’aria non
raggiunge la condizione di saturazione.
• In tale condizione, la pressione del vapore uguaglia la pressione di saturazione a quella temperatura;
un’ulteriore sottrazione di calore provoca congiuntamente una diminuzione di temperatura ed una
condensazione di parte del vapore acqueo contenuto nell’aria.
• umidità specifica costante
• entalpia decrescente
• temperatura decrescente
• umidità relativa crescente
1
Q
2
En
talp
ia s
pec
ific
a [
kJ/k
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Um
idit
à s
pecif
ica
[g
v/k
ga
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Temperatura [°C]
0
5
10
15
20
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-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
-10
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40
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100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%12
02211
Qhmhm 21
hhmQ
Raffreddamento (con deumidificazione)
021 mm mmm
21
• Con o senza deumidificazione, può essere realizzato in vari modi: con una serpentina in cui scorre
acqua fredda, con l’evaporatore di una pompa di calore.
• Per sottrarre calore all’aria le sorgenti indicate devono avere una temperatura minore di quella
dell’aria. Maggiore è la differenza di temperatura tra le sorgenti e l’aria, maggiore è la facilità con cui
si realizzerà lo scambio termico.
• umidità specifica decrescente
• entalpia decrescente
• temperatura decrescente
• UR=100%
1
Q
2
mL
En
talp
ia s
pec
ific
a [
kJ/k
gas]
Um
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à s
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ica
[g
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Temperatura [°C]
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15
20
25
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
-10
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5
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25
25
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95
100
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
1R
2
Temperatura di rugiada:
temperatura alla quale inizia la
condensazione del vapore d’acqua
quando si impone all’aria umida un
raffreddamento.
Il punto corrispondente (R) sul
diagramma psicrometrico è detto
punto di rugiada.
02211
L
mxmxm
02211
LL
hmQhmhm
21
xxmmL
21
hhmQ
Umidificazione adiabatica dell’aria umida
021 mm
mmm 21
• L’umidificazione adiabatica dell’aria può essere realizzata in vari modi: con ugelli in serie per la
nebulizzazione fine dell’acqua, con pacchi in cellulosa imbevuti di acqua, con teste atomizzatrici
• Le macchine per l’umidificazione possono funzionare con acqua a perdere oppure possono essere
dotate di pompe di ricircolo.
• entalpia costante
• umidità specifica crescente
• umidità relativa crescente
• temperatura decrescente
Temperatura di saturazione
adiabatica: la temperatura
raggiunta da una miscela di aria
umida portata a saturazione
attraverso un processo di
umidificazione adiabatica (punto
SA sul diagramma)
1 2
mLE
nta
lpia
sp
ecif
ica [
kJ/k
g as]
Um
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à s
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ica
[g
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Temperatura [°C]
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510
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40
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75
80
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100
100%
90%
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70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
1
2
SA
02211
L
mxmxm
02211
LL
hmhmhm
12
xxmmL
21hh 2211
xrTcxrTcpp
1221
xxrTTcp
Umidificazione a vapore dell’aria umida
021 mm
mmm 21
• L’umidificazione a vapore detta anche isoterma può essere realizzata con lance su cui sono montati
ugelli che immettono il vapore nell’aria.
• Il vapore può essere generato per via elettrica, per combustione o utilizzando altre fonti di calore; la
generazione del vapore può essere locale o remota.
• temperatura costante
• umidità specifica crescente
• umidità relativa crescente
• entalpia crescente1 2
mv
En
talp
ia s
pec
ific
a [
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Um
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Temperatura [°C]
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20
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-10
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510
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40
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100
100%
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40%
30%
20%
10%
1
2
V
02211
v
mxmxm
02211
vv
hmhmhm
0,22221111
vvpvvpp
TcmrmxrmTcmxrmTcm
12
xxmmv
21TT
• più costosa dell’umidificazione
adiabatica;
• impiego limitato a situazioni in
cui siano richieste precisione
del trattamento e alta purezza
del vapore (ospedali,
laboratori).
Miscelazione adiabatica di due portate di aria umida
• La miscelazione adiabatica può essere realizzato con una macchina detta camera di miscela, costituita
semplicemente da un box munito di serrande per controllare le portate d’aria.
• portata somma
• condizioni finali
intermedie
1
3
2
En
talp
ia s
pec
ific
a [
kJ/k
g as]
Um
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à s
pecif
ica
[g
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ga
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Temperatura [°C]
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80%
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50%
40%
30%
20%
10%
1
3
2
0321 mmm
0332211 xmxmxm
0332211 hmhmhm
213mmm
3
2211
3m
xmxmx
3
2211
3m
hmhmh
Recupero di calore (sensibile o totale)
• Condizioni finali intermedie
• Il rendimento dipende dalla
configurazione geometrica della
superficie di scambio e dalle sue
caratteristiche di permeabilità al
vapore ed al calore
• Maggiore è il rendimento, più le
caratteristiche in uscita di una portata
d’aria si avvicinano alle
caratteristiche in entrata dell’altra
portata.
1
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2
En
talp
ia s
pec
ific
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kJ/k
gas]
Um
idit
à s
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Temperatura [°C]
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-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
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25
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100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
13
4
2
4 2
1 3
031 mm
042 mm
044223311 xmxmxmxm
044223311 hmhmhmhm
33331111
xrmTcmxrmTcmpp
044442222 xrmTcmxrmTcm
pp
31mm
42mm
242311
xxmxxm
242311
TTcmTTcmpp
21min
242
21min
311
xxm
xxm
xxm
xxmL
21min
242
21min
311
TTcm
TTcm
TTcm
TTcm
p
p
p
p
S
Ciclo invernale e ciclo estivo dei trattamenti dell’aria
• Benessere termoigrometrico funzione di temperatura, umidità relativa e qualità dell’aria.
• Impianto di climatizzazione serve a mantenere i valori ottimali di tali grandezze.
• Per avere la giusta qualità dell’aria è necessario ventilare con aria prelevata dall’esterno.
• L’aria esterna si trova a valori di temperatura e di umidità lontani dalla condizione di
comfort ricercata, sia nella stagione invernale, sia nella stagione estiva.
Aest
Ainv
Einv
Eest
En
talp
ia s
pec
ific
a [
kJ/k
g as]
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à s
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Temperatura [°C]
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100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
Ciclo invernale e ciclo estivo dei trattamenti dell’aria
• Inverno: pre-riscaldamento, umidificazione adiabatica, post-riscaldamento
• Estate: raffreddamento con deumidificazione e post-riscaldamento
• Sono ovviamente possibili varianti alle successioni indicate, per le più svariate esigenze
• Senza carichi sensibili da controllare
• Senza carichi latenti da controllare
Sest
Sinv
Einv
Eest
B
C
D
En
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Temperatura [°C]
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100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
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20%
10%
Aest
Ainv
Ciclo invernale e ciclo estivo dei trattamenti dell’aria
• Inverno: pre-riscaldamento, umidificazione adiabatica, post-riscaldamento
• Estate: raffreddamento con deumidificazione e post-riscaldamento
• Senza carichi sensibili da controllare
• Con carichi latenti da controllare
Ainv
Einv
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B
D Aest
Sest
CSinv
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Temperatura [°C]
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100
100%
90%
80%
70%
60%
50%
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30%
20%
10%
Unità di trattamento aria (esempio)
+ - +
Ventilatore di ripresa Silenziatore Filtro piano
Ripresa
Mandata
Presa
aria esterna
Espulsione
aria Silenziatore
Filtro piano
Filtro a tasche
Batteria di pre-riscaldamento
Ventilatore di mandata
Batteria di raffreddamento
Batteria di post-riscaldamento
Sezione di umidificazione Separatore di gocce
• Macchina per il trattamento dell’aria esterna
• Può essere aggiunto un recuperatore di calore
Ciclo invernale e ciclo estivo dei trattamenti dell’aria
• Inverno: pre-riscaldamento, umidificazione adiabatica, post-riscaldamento
• Estate: raffreddamento con deumidificazione e post-riscaldamento
• Con carichi sensibili da controllare
• Con carichi latenti da controllare
Ainv
Einv
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B
D AestSest
CIinv
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Temperatura [°C]
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90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
Ciclo invernale e ciclo estivo dei trattamenti dell’aria
• Inverno: pre-riscaldamento, umidificazione adiabatica, post-riscaldamento
• Estate: raffreddamento con deumidificazione e post-riscaldamento
• Con carichi sensibili da controllare
• Con carichi latenti da controllare
• Con ricircolo dell’aria
Ainv
Einv
Eest
B
D AestSest
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Mest
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Temperatura [°C]
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70
75
80
85
90
95
100
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
Unità di trattamento aria (esempio)
• Macchina per il trattamento dell’aria con ricircolo
• Può essere aggiunto un recuperatore di calore
+ - +
Ventilatore
di ripresa Silenziatore Filtro piano
Ripresa
Mandata
Silenziatore
Filtro piano
Filtro a tasche
Batteria di pre-riscaldamento
Ventilatore di mandata
Batteria di raffreddamento
Batteria di post-riscaldamento
Sezione di umidificazione Separatore di gocce
Camera
di miscela
Presa
aria
esterna
Espulsione
aria