Fisica tecnica per l'edilizia - corso intero

DIAGRAMMA PSICROMETRICO

Quando si eseguono dei calcoli tecnici sull’aria umida si utilizza il diagramma psicrometrico, un diagramma

quantitativo, in cui ogni punto rappresenta un possibile stato fisico dell’aria umida a pressione atmosferica.

A. asse delle ascisse: temperatura di bulbo secco di aria umida (cresce da sinistra a destra), è la temperatura

misurata con un comune termometro

B. asse delle ordinate: umidità associata (y) (crescente dal basso verso l’alto) [g /kg ]

vap aria secca

C. fascio di curve: umidità relativa costante (φ) (una percentuale: rapporto di pressione parziale di vapor d’acqua e

la pressione di saturazione corrispondente alla temperatura T)

La curva che delimita il grafico che ha umidità relativa a 100% si chiama curva di saturazione: i punti su

questa curva rappresentano stati fisici di aria satura.

D. fascio di rette (verso dx): curve a entalpia specifica J costante (si legge sulla scala graduata a sinistra) [kJ∙kg ]

a. secca

3

E. fascio di rette (più ripide): curve a volume specifico costante [m /kg ]

aria secca

F. fascio con linee tratteggiate: curve a temperatura di bulbo umido

Conoscendo temperatura e umidità relativa, possiamo entrare nel diagramma e individuare un punto; così possiamo

leggere sul diagramma tutte le altre proprietà dell’aria che stiamo analizzando.

Questo diagramma psicrometrico viene utilizzato non solo per rappresentale la condizione in cui si trova l’aria, ma

anche per rappresentare il trattamento a cui viene sottoposta l’aria.

Esso mostra:

• come per data temperatura esiste una quantità massima di vapore che può essere trattenuta dall’aria.

Al crescere della temperatura dell’aria, la capacità dell’aria di trattenere a sé vapore aumenta.

Es. Se abbiamo aria a 20°C e facciamo una verticale, incontreremo la curva di saturazione in un punto che

rappresenta la condizione di aria satura a 20°C. Questa è caratterizzata da un certo valore di umidità

→

associata y (circa 15 g/kg ) y può variare tra 0 e y =15 g/ kg

s a.secca s a.secca

• come varia l’umidità relativa ϕ al variare della temperatura di bulbo secco a parità di umidità associata y.

→

Quanto minore è la temperatura dell’aria, tanto più alta è l’umidità relativa tanto minore è la

capacità dell’aria di trattenere a sé vapore.

Es. Se consideriamo un valore di umidità associata y=10 g/ kg e tracciamo una orizzontale, il diagramma

a.secca

ci mostra come varia ϕ. Se abbiamo dell’aria a y=10 g/ kg e si trova alla temperatura di 34°C e

a.secca

cominciamo a raffreddare (da dx verso sx) l’aria a y=cost, vediamo che andiamo a intercettare curve a

→

umidità relativa sempre più grandi aumenta l’umidità relativa ϕ.

• come varia l’umidità relativa ϕ al variare dell’umidità associata y a parità di temperatura di bulbo secco.

Tanto maggiore è l’umidità associata, tanto maggiore sarà l’umidità relativa.

Es. Se abbiamo aria a 22°C e y=circa 5 g/ kg , vediamo che essa avrà umidità relativa ϕ=30%.

a.secca →

Se aumentiamo l’umidità associata, l’umidità relativa aumenterà logicamente se, a temperatura costante,

aumentiamo la quantità di vapor d’acqua nell’aria, la stiamo portando verso la sua saturazione.

TEMPERATURA DI RUGIADA

Se da un punto ci si muove abbassando la temperatura, a umidità associata y costante, ci si muove verso sinistra fino

alla curva di saturazione, poi inizia la condensazione: si abbasserà la temperatura e diminuirà anche l’umidità

associata, quindi la quantità di vapor d’acqua nell’aria.

Questo valore di temperatura si chiama TEMPERATURA DI RUGIADA T : è la temperatura minima a cui è possibile

R →

raffreddare l’aria, mantenendo inalterata la quantità di vapor d’acqua presente se si continua a sottrarre calore,

parte del vapore condenserà.

Per determinarla è necessario percorrere la retta a y=cost fino a intersecare la curva di saturazione.

Il valore si legge in basso.

Si può raffreddare l’aria a una temperatura più bassa della temperatura di rugiada?

Si, ma si riduce l’umidità associata e si ha la condensa di parte del vapore presente nell’aria.

LE TRASFORMAZIONI DELL’ARIA UMIDA

La sensazione di benessere o malessere che ciascuno di noi avverte all’interno di un ambiente dipende, tra i vari

parametri, oltre che da cosa indossiamo, dall’attività che svolgiamo, dalla temperatura delle pareti, la velocità

dell’aria, in particolare dalla temperatura e dall’umidità relativa dell’aria all’interno di quell’ambiente.

(se la temperatura dell’aria è bassa abbiamo la sensazione di freddo, se è alta sentiamo caldo; se l’umidità relativa

dell’aria ha un valore molto basso, prossimo a 0, abbiamo una sensazione di aria secca, viceversa quando l’umidità

relativa dell’aria è alta, valore prossimo a 1, abbiamo la sensazione di umido)

L’aria degli ambienti confinati deve essere opportunamente trattata in modo da portare le condizioni di temperatura

e umidità relativa tali da rendere quell’ambiente vivibile o da restituire alle persone che ci vivono una sensazione di

→

benessere/comfort. BENESSERE TERMO-IGROMETRICO.

Queste operazioni di trattamento dell’aria, che sono finalizzate a modificare la temperatura e l’umidità relativa

dell’aria, rientrano nella categoria di “condizionamento termo-igrometrico dell’aria”.

L’esigenza di condizionamento dell’aria può essere legata anche a ragione di processo: nell’edificio deve avvenire un

processo industriale che ha bisogno che l’aria abbia determinate condizioni di temperatura e umidità relativa.

Gli impianti di condizionamento termo-igrometrico dell’aria controllano la temperatura e l’umidità relativa in modo

da rendere l’ambiente confortevole.

Le trasformazioni che vengono più comunemente effettuate negli impianti di condizionamento dell’aria in edifici

civili (a ragione di benessere) sono:

1. RISCALDAMENTO E RAFFREDDAMENTO DELL’ARIA UMIDA A UMIDITÀ ASSOCIATA COSTANTE

2. RAFFREDDAMENTO CON UMIDIFICAZIONE REALIZZATA CON ACQUA SPRUZZATA

3. RISCALDAMENTO CON UMIDIFICAZIONE

4. RAFFREDDAMENTO DELL’ARIA UMIDA CON DEUMIDIFICAZIONE

5. MISCELAZIONE ADIABATICA DI DUE CORRENTI D’ARIA UMIDA.

• Ne studiamo il funzionamento (non la progettazione)!

1. RISCALDAMENTO E RAFFREDDAMENTO DELL’ARIA UMIDA A y=cost

Abbiamo una portata di aria che viene fatta passare all’interno di uno scambiatore di calore, in cui circola un

fluido che ha una temperatura o superiore o inferiore alla temperatura dell’aria; quando l’aria umida entra nello

→

scambiatore di calore, entra a contatto con un fluido più caldo o più freddo grazie a questo ΔT si ha uno

scambio di calore sensibile, quindi l’aria umida o si raffredda o si riscalda.

Non c’è variazione di quantità di vapor d’acqua presente nell’aria.

Rappresentazione nel diagramma psicrometrico: Quando riscaldiamo, nel digramma

psicometrico ci muoviamo

orizzontalmente, da sinistra verso

destra; man mano che ci muoviamo

andiamo ad intercettare curve a

umidità relativa (quantità di vapore

presente massima nell’aria) sempre

1 2 →

più piccola andiamo a rendere

sempre più secca l’aria.

Quando la raffreddiamo, intercettiamo

curve a umidità relativa sempre più

grande, ma l’umidità associata rimane

costante.

2. RAFFREDDAMENTO CON UMIDIFICAZIONE REALIZZATA CON ACQUA SPRUZZATA (o VAPORATIVO) →

Una portata di aria umida calda e secca viene fatta passare in una zona dove viene spruzzata acqua le

goccioline d’acqua entrano in contatto con l’aria. →

Per evaporare l’aria cede calore alle goccioline d’acqua la temperatura dell’aria diminuisce e aumenta la

quantità di vapor d’acqua. Questo processo si può considerare isoentalpico.

Rappresentazione nel diagramma psicrometrico: In base alla quantità di acqua

spruzzata sulla massa d’aria ci si

avvicina sempre più o meno alla

condizione di saturazione; se il

processo si spinge fino alla condizione

di saturazione (quindi sulla curva di

saturazione) si parla di saturazione

adiabatica.

saturazione adiabatica: processo in cui

non c’è scambio di calore con

l’esterno (l’aria e l’acqua scambiano

calore tra di loro ma non con

→

2 l’esterno) la corrente d’aria avrà

una temperatura più bassa di quella

1 iniziale e si sarà caricata di vapore fino

a raggiungere la quantità massima di

vapore possibile per quella

temperatura.

→

3. RISCALDAMENTO CON UMIDIFICAZIONE INVERNO

Ricordando che la sensazione di benessere è legata all’umidità relativa dell’aria, può succedere che, riscaldando

l’aria, l’umidità relativa scende al di sotto dei valori di benessere, a quel punto si rende necessario procedere ad

una umidificazione in modo da riportare l’umidità relativa all’interno del range di comfort (40-60%).

Rappresentazione nel diagramma psicrometrico: Uno dei modi possibili con i quali si

realizza un riscaldamento con

umidificazione all’interno degli

impianti di condizionamento prevede

3 processi distinti:

1→2: preriscaldamento a umidità

associata costante

2→3: raffreddamento con

3 umidificazione con acqua spruzzata

4 spinto sino alla saturazione:

la temperatura si abbassa, aumenta

l’umidità associata (entalpia costante)

2 3→4: post riscaldamento a umidità

1 associata costante

→

4. RAFFREDDAMENTO CON DEUMIDIFICAZIONE ESTATE

Raffreddando l’aria, l’umidità relativa aumenta con un valore che è al di fuori del range di comfort (condizione

di malessere), quindi è necessario deumidificare l’aria, cioè ridurre la quantità di vapor d’acqua presente.

Rappresentazione:

La portata di aria passa in una sezione dell’impianto in cui troviamo una serpentina in cui scorre un fluido a una

temperatura più bassa dell’aria e della temperatura di rugiada; da questa differenza di temperatura scaturisce uno

scambio di calore. L’aria entra in contatto con il fluid