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Dipartimento di Meccanica,

Strutture, Ambiente e Territorio

Richiami di aria umida

Docenti: Prof. Marco Dell’Isola

Ing. Fernanda Fuoco

ENERGETICA DEGLI EDIFICI

http://www.ing.unicas.it/index.html



Aria atmosferica

• L'aria atmosferica é costituita da un insieme di componenti

gassosi e da altre sostanze che possono presentarsi in fase

aeriforme (fumi) o come particolato solido in sospensione

(polveri).

• Si definisce come aria secca l'aria atmosferica una volta che siano

rimossi tutti i contaminanti ed il vapor d'acqua. L’aria secca é,

quindi, una miscela di gas.




Aria secca

• La composizione è relativamente costante in zone aperte, lontano

da possibili sorgenti di contaminanti come le città, gli scarichi

automobilistici ed industriali.

• Il valore del contenuto di anidride carbonica riportato nella

seguente tabella rappresenta il valor medio misurato in aria libera

in un campo di altitudine compresa tra 1 e 6 km in modo da avere

variazioni giornaliere e annuali trascurabili rispetto a quelle

riscontrabili in superficie.

• Variabilità del contenuto di anidride carbonica (<3%)




Composizione standard dell'aria secca

Gas Contenuto

(% vol.)

Variabilità del

contenuto

Azoto (N2) 78.084 -

Ossigeno (O2) 20.9476 -

Argon (Ar) 0.934 -

Anid. Carb. (CO2) 0.0314 significativa

Neon (Ne) 0.001818 -

Elio (He) 0.000524 -

Krypton (Kr) 0.000114 -

Xenon (Xe) 0.0000087 -

Idrogeno (H2) 0.00005 non precisata

Metano (CH4) 0.00015 significativa

Ossido Azoto (N2O) 0.00005 -

Ozono (O3) 0 a 0.000007 estate significativa

0 a 0.000002 inverno significativa

Anid. Solf. (SO2) 0 a 0.0001 significativa

Bioss. Azoto (NO2) 0 a 0.000002 significativa

Ammoniaca (NH3) 0 a tracce significativa

Ossido Carb. (CO) 0 a tracce significativa

Iodio (I2) 0 a 0.000001 significativa

Radio (Rn) 6 10-18 non precisata




Vapor d’acqua • Nelle condizioni di temperatura e pressione relative agli impianti di

climatizzazione, l’aria secca può essere considerata un gas

incondensabile per il quale è applicabile il modello di gas ideale.

• Nell’aria atmosferica è presente anche vapor d’acqua che, anche in

piccole quantità, influenza notevolmente le condizioni di benessere .

• Variabilità del vapor d’acqua: tra 0.000002% ed il 4-5% (valori minimi al

di sopra della calotta antartica, generalmente in condizioni di temperatura

molto bassa associate a flussi di aria discendenti dagli strati più alti

dell'atmosfera; valori massimi sono stati occasionalmente riscontrati

nelle regioni subtropicali ed equatoriali durante la stagione calda in

giornate afose presso località che presentano bacini d'acqua esposti alla

radiazione solare).

• Anche se l’acqua presente può condensare, poiché la pressione ridotta è

<<1 si può applicare anche per essa il modello di gas ideale.




Aria umida

• La massima quantità di vapor d’acqua che l’aria può contenere è detta di

saturazione.

• L'aria umida é definita una miscela binaria di aria secca e vapor d'acqua.

• La quantità di vapor d'acqua nell'aria umida varia da un valore nullo (aria

secca) ad un valore massimo (condizioni di saturazione).

• Lo stato termodinamico dell'aria umida, considerata come una miscela a

due componenti, è individuato mediante la conoscenza di tre proprietà

intensive indipendenti, oppure di tre proprietà estensive e della massa

totale .




Legge di Dalton

• La pressione totale P della miscela di aria umida è la somma delle

pressioni parziali dei singoli componenti.

• Si definisce pressione parziale di un componente generico in una

miscela la pressione che il singolo componente eserciterebbe se

occupasse l’intero volume occupato dalla miscela.

t a vP p p




Modello di gas ideale

Acqua v vp v R T v

kJR 0.462

kg K

Aria secca a ap v R T a

kJR 0.287

kg K




Proprietà aria umida Entalpia specifica

dell’aria secca(kJ/kg)

a ah (T) cp t

vh (T)=2501+1.805 Tv vs vh (T) h cp T

•Modello di gas ideale

•h (0°C)= 0

ah (T) 1.005 t

Entalpia specifica del

vapore d’acqua(kJ/kg)

•Modello di gas ideale

•Per T<50°C, le isoentalpiche hanno

andamento orizzonatale, h=h(T)

v vsh (T,pv) h (T,pv')




Proprietà aria umida Umidità specifica

oppure

Titolo (w)

E' definito come il rapporto tra la

massa di vapor d'acqua e la massa di

aria secca presenti nel campione di

aria umida alla temperatura T,

contenuto in un recipiente di volume

V

v

a

mw

m

Applicando il modello di gas ideale

w v

as a t

p / R T pvw 0.622

p / R T P pv




Proprietà aria umida

Umidità

relativa (f)

Rappresenta il rapporto la tra massa di vapor

d’acqua presente nel campione di aria umida

e la massa di vapore che sarebbe contenuta

se il vapore fosse saturo alla stessa

temperatura e pressione totale dell’aria

umida.

Applicando il modello di gas ideale

, t

v

vs t p

m

mf

v

vs t,Pt

p

pf

Tanto maggiore è ф tanto più l’aria umida è

vicina alle condizioni di saturazione.




Proprietà aria umida Temperatura di

rugiada (Trug)

La temperatura di rugiada dell’aria umida è la temperatura

di incipiente condensazione del vapor d’acqua contenuto

nell’aria umida, quando questa viene raffreddata a pressione

costante e ad umidità specifica costante

( )rug sat vT T p

vs rug vp (T ) p

s

T

sat

Punto di

rugiada

vapore

P=cost.

La Trug rappresenta una misura assoluta

dell’umidità presente nell’aria umida. Pertanto una

misura indiretta dell’umidità specifica può essere

effettuata misurando Trug dell’aria; si ricava pv= pvs

(Trug) e quindi w. Misurando anche la T si perviene

ad una misura diretta della ф. La misura della Trug

non è agevole.

Trug= temperatura di saturazione del vapor d’acqua corrispondente alla

pressione parziale del vapore stesso

Trug= è la temperatura in corrispondenza della quale la pressione di

saturazione del vapor d’acqua uguaglia la pressione parziale del vapore

presente nell’aria




Proprietà aria umida Entalpia

specifica (kJ/kg)

L’entalpia viene valutata con riferimento alla sola massa

d’aria. E’ valutata rispetto alla massa di aria secca

(invariante negli impianti di condizionamento)

a vh h w h ah 1.005 t

2501 1.805vh t

a vs vh cp T w( h cp T)

a vcp cp w cp

vs vsh cpT h w h cp T h w

•Considerando due stati termodinamici dell’aria umida T1, w1 e T2, w2,

voglio valutare la variazione di entalpia, Δh:

A B A c C B vs A c C Bh h (h h ) (h h ) h (w w ) cp(T T ) Aliquota latente Aliquota sensibile

•La variazione di entalpia specifica può essere valutata come somma di due aliquote:





Volume specifico

(kJ/kg) a

Vv

m

a a

a t vs

R T R Tv

p p p

f

a a ap V m R T

Anche per il volume specifico

ci si riferisce alla massa della

sola aria secca

Si fissa v e T. Si ricava pa e quindi pv. Si ottine quindi

anche la w. Si è così individuato un punto sul piano w-

T. Si procede per punti per tracciare le isocore.

Valori di densità compresi tra 1.20-1.25 kg/m3 nelle

appicazioni usuali.




Proprietà aria umida • Per la valutazione dell’umidità dell’aria, la misura sia di ф, sia di w, sia di

Trug risulta difficoltosa. Si introduce allora il processo di saturazione

adiabatica dell’aria umida, che consente la valutazione di una temperatura

detta “Temperatura di saturazione adiabatica” anche essa utile per una

valutazione indiretta dell’umidità dell’aria.




Proprietà aria umida •Si consideri il SATURATORE ADIABATICO qui schematizzato:

•Viene immessa aria umida nelle condizioni termodinamiche 1 (non di saturazione) in un

canale adiabatico, dove lambisce a pressione totale costante uno specchio di acqua liquida

alla temperatura T2.

•La corrente d’aria umida, raggiunto il regime stazionario, si porta alla temperatura T2.

•L’evaporazione dell’acqua fa sì che l’aria si umidifichi e si raffreddi (infatti all’aria umida

viene sottratta energia termica necessaria all’evaporazione dell’acqua): se il canale è di

lunghezza infinita, l’aria umida si umidifica fino alla saturazione-condizione 2- uscendo dal

saturatore.

•La portata d’acqua che evapora viene

rimpiazzata da una portata d’acqua liquida

alla temperatura T2, in modo che il livello

dello specchio d’acqua si mantenga costante.

Aria umida Aria umida

satura

Acqua liquida alla

temperatura T2





m h m h m ha L L a1 2

a 1 L a 2m w m m w

bilancio di massa per l’aria:

bilancio di energia:

In condizioni di regime stazionario e con riferimento al volume di controllo tratteggiato si

possono scrivere i seguenti bilanci:

bilancio di massa per l’acqua:

a1 a2 am m m

L a 2 1m m (w w )

2 1L

a L

m h h

m h

L 2 11 2 2

a L

m h hw w w

m h

Misurata T1 e T2=T* si valuta w1. La T*

è una proprietà di stato dell’aria umida,

poiché fissato lo stato dell’aria umida in

ingresso questa equazione ha la sola

incognita T*.

Combinando i bilanci:




Proprietà aria umida Temperatura saturazione adiabatica (T*)

L’aria esce ad una pressione

parziale maggiore rispetto

all’ingresso f2>f1

L'umidita' specifica nello stato

d'ingresso puo' essere calcolata

dalla sola misura delle

temperature in ingresso ed in

uscita (T2=T*) del saturatore

adiabatico.

w f P T2 2 2 , ,f

h f P T2 2 2 , ,f

h f P T w1 1 1 , ,

h f P TL , 2




• Rappresenta la temperatura alla quale

dell'acqua (liquida o solida), evaporando in

aria umida ad un'assegnata T e titolo w, porta

adiabaticamente l'aria in condizioni di

saturazione alla stessa temperatura T* a

pressione totale costante.

• Tale grandezza risulta funzione delle

condizioni termodinamiche dell’aria umida

ed è, quindi, una proprietà termodinamica

dell’aria umida.


Temperatura

di saturazione

adiabatica (T*)




•Temperatura di bulbo asciutto e di bulbo bagnato

La misura della temperatura di saturazione adiabatica risulta poco agevole.

Criticità dello scambiatore:

•Dovrebbe essere di lunghezza talmente grande tale da garantire la saturazione

dell’aria umida.

•Tempi di attesa per il raggiungimento del regime stazionario inaccettabili nella

pratica


Per la misura (indiretta) dell’umidità dell’aria in ambiente, si utilizza uno

strumento detto PSICROMETRO, anche esso basato sull’evaporazione di un film

d’acqua liquida ma di più facile utilizzo che, sotto alcune precauzioni, ci restituisce

una misura sufficientemente approssimata della temperatura di saturazione

adiabatica




Psicrometro Lo psicrometro è essenzialmente costituito da due sensori di

temperatura, schermati dalla radiazione:

1) sensore con bulbo asciutto

2) sensore con bulbo bagnato (mediante una garza imbevuta d’acqua

che risale per capillarità da un serbatoio sottostante)

L’aria umida viene aspirata da una ventola e, provenendo

dall’ambiente, va a lambire sia il bulbo asciutto che il bulbo bagnato.

In corrispondenza del bulbo bagnato l’acqua evapora sottraendo

energia termica all’aria umida che quindi si raffredda.

In condizioni di regime stazionario:

Termometro a bulbo bagnato : Tbb oppure Tbu

Termometro con bulbo asciutto : Tba

Fenomeno che avviene attorno

al bulbo bagnato è complesso,

sarà descritto con una

schematizzazione semplificata




Psicrometro La Tbb fornisce con buona approssimazione una misura della T* (Temperatura di

saturazione adiabatica) e quindi una misura indiretta dell’umidità dell’aria se sono

soddisfatti alcuni vincoli.

Vincoli che bisogna soddisfare per soddisfare Tbb=T* , sono:

• la velocità dell’aria in ingresso al bulbo bagnato deve essere compresa tra 2-2.5 m/s

•i sensori di temperatura devono essere schermati rispetto alla radiazione

•la garza deve essere pulita, di materiale e taglia idonei

•l’acqua deve essere distillata e quanto più possibile vicino alla Tbb

•la garza deve ricoprire il bulbo ed estendersi anche sullo stelo per ridurre gli errori connessi

al flusso termico conduttivo




Diagramma Carrier - ASHRAE Lo stato termodinamico dell’aria umida è univocamente determinato dalla conoscenza

dei valori assunti da tre proprietà intensive indipendenti, generalmente una è la Pt le

altre sono scelte tra [ Tba,Trug, ф, w, h, v] , attraverso le relazioni presentate.

Esiste però anche la possibilità di utilizzare il Diagramma Psicrometrico:

Per un certo valore della pressione totale, il diagramma di stato lega tra loro le

proprietà sopra elencate, in modo che, note due di esse, si può individuare il punto

rappresentativo dello stato termodinamico dell’aria umida e quindi si possono ricavare

facilmente tutte le proprietà.

Tale diagramma fornisce la lettura dei valori delle proprietà di interesse ed anche

fornisce un utile strumento di visualizzazione dei processi e di risoluzione grafica di

numerosi problemi.




Diagramma Carrier - ASHRAE




Diagramma Carrier - ASHRAE

Temperatura bulbo asciutto, t




Trasformazioni aria umida

Riscaldamento o raffreddamento a

titolo costante

Miscelazione adiabatica di due

correnti di aria

Deumidificazione

Umidificazione adiabatica


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