Post on 22-Feb-2019
Dipartimento di Meccanica,
Strutture, Ambiente e Territorio
Richiami di aria umida
Docenti: Prof. Marco Dell’Isola
Ing. Fernanda Fuoco
ENERGETICA DEGLI EDIFICI
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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.
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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%)
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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
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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.
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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 .
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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
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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
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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')
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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
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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.
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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
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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:
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Proprietà aria umida
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.
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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.
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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
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Proprietà aria umida
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:
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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
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• 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.
Proprietà aria umida
Temperatura
di saturazione
adiabatica (T*)
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•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
Proprietà aria umida
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
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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
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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
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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.
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Diagramma Carrier - ASHRAE
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Diagramma Carrier - ASHRAE
Temperatura bulbo asciutto, t
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Trasformazioni aria umida
Riscaldamento o raffreddamento a
titolo costante
Miscelazione adiabatica di due
correnti di aria
Deumidificazione
Umidificazione adiabatica