esercizi svolti di psicrometria - energiazero.org

20
ESERCIZI SVOLTI DI PSICROMETRIA sulle trasformazioni elementari 1

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Page 1: ESERCIZI SVOLTI DI PSICROMETRIA - energiazero.org

ESERCIZI SVOLTI DI

PSICROMETRIA

sulle trasformazioni elementari

1

Page 2: ESERCIZI SVOLTI DI PSICROMETRIA - energiazero.org

Formulario di riepilogo• Umidità specifica (o titolo): • Grado igrometrico e umidità relativa:

• Pressione di saturazione:

• Temperatura di saturazione (o di rugiada):

vtot

v

as

v

pp

p

m

mx

622,0

as

v

kg

kg

3,237

269,17

, 5,610

T

T

satv ep PaNOTA: La temperatura va inserita in gradi Celsius

5,610ln269,17

5,610ln3,237

v

v

rsatp

p

TT C

satv

v

p

p

,

100 UR

ptot = pressione totale del sistema = pressione ambiente ≈ 101'325 Pa

Costante 0,622 = rapporto delle costanti dei gas o delle masse molari = Ras/Rv = Mv/Mas.2

Page 3: ESERCIZI SVOLTI DI PSICROMETRIA - energiazero.org

Formulario di riepilogo• Formulazioni alternative per umidità specifica, grado igrometrico, pressione di

saturazione e pressione di vapore:

as

v

kg

kg

satvtot

satv

pp

px

,

,622,0

Pa

satv

tot

px

px

,622,0

x

pxp tot

satv622,0

,

Per φ = 1 si ottiene il

titolo di saturazione xsat alla

temperatura alla quale è stato

calcolato pv,sat.

satvv pp , Pa

ptot = pressione totale del sistema = pressione ambiente ≈ 101'325 Pa 3

Page 4: ESERCIZI SVOLTI DI PSICROMETRIA - energiazero.org

Formulario di riepilogo• Entalpia:

• Potenza termica:

o In generale:

o Per trasformazioni isotitolo (Δx=0):

o Per trasformazioni isoterme (ΔT=0):

• Energia termica:

se il tempo è in ore;

se il tempo è in secondi.

kW

TxTTcrxTch vpasp 9,12500,,

askg

kJ

cp,as 1 kJ/kg °C

cp,v 1.9 kJ/kg °C

r = r0 2500 kJ/kg

hmQ skgas ]/[

TcmQ pskgas ]/[ kW

xrmQ skgas ]/[ kW

tQE kWh

kJ

IMPORTANTE! La notazione di energia e

potenza è molto variabile: sul libro di impianti

vengono chiamate entrambe Q. Sulle dispense di

fisica tecnica q è potenza e Q energia. Sul libro di

psicrometria è potenza e Q energia. Fare molta

attenzione a non confonderle!!

Q 4

Attenzione: x va inserito in [kgv/kgas]

Page 5: ESERCIZI SVOLTI DI PSICROMETRIA - energiazero.org

Esercizio 1Per il riscaldamento di un locale si installa un gruppo

aerotermo che preleva una portata volumetrica G = 250 m3/h

di aria esterna alle seguenti condizioni: Te = 4°C; URe = 80%;

la riscalda fino alla temperatura Timm = 40°C e la immette

in ambiente.

DETERMINARE:

1. La tipologia di trasformazione psicrometrica realizzata.

2. L'andamento della trasformazione sul diagramma

psicrometrico.

3. La pressione di vapore dell'aria esterna (pv,e).

4. L'umidità specifica dell'aria in immissione (ximm) sia con metodo

grafico che analitico.

5. L'entalpia dell'aria esterna (he) e dell'aria in immissione (himm) sia con metodo

grafico che analitico.

6. La potenza termica (Q) che deve fornire l'aerotermo

all'aria in transito.

7. L'umidità relativa (URimm) dell'aria immessa sia con metodo

grafico che analitico.

SOLUZIONE DEI QUESITI

1. Riscaldamento sensibile.

2. Vedi diagramma nella pagina seguente.

5

Page 6: ESERCIZI SVOLTI DI PSICROMETRIA - energiazero.org

Esercizio 1DIAGRAMMA PSICROMETRICO

Diagramma Psicrometrico

0

5

10

15

20

25

30

35

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Temperatura [°C]

Um

idit

à s

pe

cif

ica

[g

/kg

a.s

.]

50

60

70

80

90

100

110

120

0.7

8

0.8

8

0.8

6

0.8

4

0.8

2

0.8

0

0.9

0

0.1

0.2

0.90.8 0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

= 1

30

40

20

10h =0

KJ/kga.s.

v =

0.7

6

m3/k

gas

Aria esternaAria di immissione

6

Page 7: ESERCIZI SVOLTI DI PSICROMETRIA - energiazero.org

Attenzione: utilizzando l'entalpia in

kJ/kg, la potenza viene in kW!

Esercizio 1SOLUZIONE DEI QUESITI

3. La pressione di vapore dell'aria esterna (pv,e) si trova come:

Dove:

Da cui:

4. L'umidità specifica dell'aria in immissione (ximm) è identica all'umidità specifica dell'aria esterna

(ximm) e si trova graficamente sull'asse delle ordinate: ximm ≈ 4 gv/kgas. Analiticamente:

5. L'entalpia dell'aria esterna e di immissione si trovano graficamente sull'asse delle entalpie:

he ≈ 15 kJ/kgas ; himm ≈ 50 kJ/kgas . Analiticamente:

6. La potenza si calcola solo per via analitica:

m è la portata massica dell'aria ricavabile come:

Viene quindi:

Utilizzando il metodo grafico, il risultato viene un po' diverso:

Non essendoci variazioni di umidità si poteva usare anche la formula approssimata valida per i soli

scambi sensibili (più semplice!):

eeee TxTh 9,12500

evtot

ev

eimmpp

pxx

,

,622,0

sateve

sateveev pUR

pp ,,,,,100

Pa 8135,6103,237

269,17

,,

e

e

T

T

satev ep

Pa 6508138,0,,, satevev pp

asvasv /kgg 01,4/kgk 00401,0650101325

650622,0

g

as

3 kJ/kg 08,1449,125001002,44

immimmimmimm TxTh 9,12500 as

3 kJ/kg 36,50409,125001002,440

eimm hhmQ

/skg 083,03600

2,1250

3600as

dGm

kW 01,308,1436,50083,0 Q

kW 99,24401083,0 eimmp TTcmQ

kW 91,21550083,0 Q

Attenzione: x va inserito in [kgv/kgas]

Densità aria secca = 1,2 kg/m3

7

Page 8: ESERCIZI SVOLTI DI PSICROMETRIA - energiazero.org

Esercizio 2Per il raffrescamento di un locale si utilizza un condizionatore

si tipo "split" con una potenza frigorifera di Q = 12'000 BTU/h.

In una calda giornata estiva le condizioni dell'aria interna

(aspirata dal condizionatore) sono le seguenti:

Ti = 30°C; URi = 70%. Il condizionatore viene usato al massimo

della sua potenza frigorifera e tratta un volume d'aria

G = 11 m3/min che viene immessa in ambiente a determinate

condizioni Timm e ximm.

DETERMINARE:

1. La tipologia di trasformazione psicrometrica realizzata.

2. L'andamento della trasformazione sul diagramma

psicrometrico.

3. La pressione di vapore dell'aria interna (pv,i).

4. L'umidità specifica dell'aria interna (xi) sia con metodo

grafico che analitico.

5. L'entalpia dell'aria interna (hi) e dell'aria in immissione (himm).

6. L'umidità specifica dell'aria in immissione (ximm) e la temperatura di immissione (Timm) sia con

metodo grafico che analitico.

7. Il volume di acqua VL [l/h] che si produce da un'eventuale condensazione dell'aria.

SOLUZIONE DEI QUESITI

1. La trasformazione sarà sicuramente un raffreddamento, ma non possiamo sapere se vi sia o meno

la deumidificazione perché dipende dalle condizioni ambientali. Occorre fare prima i calcoli.

2. Vedi diagramma nella pagina seguente, anche questo non può essere completato.8

Page 9: ESERCIZI SVOLTI DI PSICROMETRIA - energiazero.org

Esercizio 2DIAGRAMMA PSICROMETRICO

Diagramma Psicrometrico

0

5

10

15

20

25

30

35

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Temperatura [°C]

Um

idit

à s

pe

cif

ica

[g

/kg

a.s

.]

50

60

70

80

90

100

110

120

0.7

8

0.8

8

0.8

6

0.8

4

0.8

2

0.8

0

0.9

0

0.1

0.2

0.90.8 0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

= 1

30

40

20

10h =0

KJ/kga.s.

v =

0.7

6

m3/k

gas

Non possiamo sapere a che

temperatura si ferma il

raffrescamento, occorre fare prima i

calcoli!

Di sicuro non scende sotto gli 0°C.

Aria interna

9

Page 10: ESERCIZI SVOLTI DI PSICROMETRIA - energiazero.org

Esercizio 2SOLUZIONE DEI QUESITI

3. La pressione di vapore dell'aria interna (pv,i) si trova come:

Dove:

Da cui:

4. L'umidità specifica dell'aria interna (xi) si trova graficamente sull'asse delle ordinate: xi ≈ 19 gv/kgas.

Analiticamente:

5. L'entalpia dell'aria interna si può trovare graficamente hi ≈ 78 kJ/kgas , oppure analiticamente:

L'entalpia di immissione è un'incognita (non si conoscono Timm e ximm ), quindi la si ricava sapendo

la potenza termica della trasformazione:

dove:

Ora è possibile completare il diagramma psicrometrico!

iiii TxTh 9,12500 as

3 kJ/kg 1,78309,12500108,1830

ivtot

iv

ipp

px

,

,622,0

asvasv /kgg 8,18/kgk 0188,02968101325

2968622,0

g

sativi

sativiiv pUR

pp ,,,,,100

Pa 42405,6103,237

269,17

,,

i

i

T

T

sativ ep

Pa 2968,,, sativiv pp

kW 4,1 W 4095 9307,2/12000BTU/h 12000 Q1 W = 2,9307 BTU/h

iimm hhmQ askJ/kg 5,591,7822,0

1,4

iimm h

m

Qh

/skg 22,060

2,111

60as

dGm

Q deve essere preso negativo

perché è una potenza frigorifera.

10

Page 11: ESERCIZI SVOLTI DI PSICROMETRIA - energiazero.org

Esercizio 2DIAGRAMMA PSICROMETRICO

Diagramma Psicrometrico

0

5

10

15

20

25

30

35

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Temperatura [°C]

Um

idit

à s

pe

cif

ica

[g

/kg

a.s

.]

50

60

70

80

90

100

110

120

0.7

8

0.8

8

0.8

6

0.8

4

0.8

2

0.8

0

0.9

0

0.1

0.2

0.90.8 0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

= 1

30

40

20

10h =0

KJ/kga.s.

v =

0.7

6

m3/k

gas

Punto di immissione

Aria interna

11

Page 12: ESERCIZI SVOLTI DI PSICROMETRIA - energiazero.org

Esercizio 2SOLUZIONE DEI QUESITI

6. L'umidità specifica dell'aria in immissione graficamente è il valore delle ordinate ximm ≈ 15,5 gv/kgas.

Analiticamente non possiamo utilizzare le formule standard (non sappiamo le pressioni di vapore),

quindi è necessario fare un sistema tra 3 formule : le due formule della pressione di vapore saturo e

quella dell'entalpia, imponendo che φ=1. Il calcolo diventa troppo complesso, quindi ci accontentiamo

del valore grafico.

La temperatura di immissione si trova anch'essa graficamente Timm ≈ 21°C.

7. La condensa prodotta si determina tramite l'equazione del bilancio della massa di vapore:

Il valore negativo indica che la condensa lascia il sistema, come atteso.

Riportando all'unità di misura richiesta:

kg/s 1073,0108,185,1522,0 33 iimmasL xxmm Attenzione: x va inserito in [kgv/kgas]

l/h 6,23600110-0,73kg/s 1073,0 33

Densità acqua = 1 kg/dm3 = 1 kg/l

12

Page 13: ESERCIZI SVOLTI DI PSICROMETRIA - energiazero.org

Esercizio 3E' stato calcolato che il modulo umidificatore di un'unità di

trattamento aria deve fornire aria con un'umidità specifica

x2 = 10 gv/kgas. Non avendo ancora scelto la macchina, si

prova sia con un modulo di umidificazione da fase liquida che con

uno da fase vapore. L'aria in ingresso ha umidità specifica

x1 = 3 gv/kgas. Entrambi gli umidificatori hanno efficienza del 90%,

ossia riescono ad umidificare l'aria fino a UR2=90%.

DETERMINARE:

1. Le tipologie di trasformazioni psicrometriche realizzate.

2. L'andamento delle trasformazioni sul diagramma

psicrometrico.

3. La temperatura dell'aria in uscita (T2) sia con metodo grafico che analitico.

4. L'entalpia dell'aria in uscita (h2).

5. Temperatura (T1A) e umidità relativa (UR1A) dell'aria in ingresso con umidificatore da fase liquida.

6. Temperatura (T1V) e umidità relativa (UR1V) dell'aria in ingresso con umidificatore da fase vapore.

SOLUZIONE DEI QUESITI

1. L'umidificazione da fase liquida è un'umidificazione adiabatica, quella da fase vapore è

un'umidificazione a vapore.

2. Vedi diagramma nella pagina seguente.

13

Page 14: ESERCIZI SVOLTI DI PSICROMETRIA - energiazero.org

Esercizio 3DIAGRAMMA PSICROMETRICO

Diagramma Psicrometrico

0

5

10

15

20

25

30

35

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Temperatura [°C]

Um

idit

à s

pe

cif

ica

[g

/kg

a.s

.]

50

60

70

80

90

100

110

120

0.7

8

0.8

8

0.8

6

0.8

4

0.8

2

0.8

0

0.9

0

0.1

0.2

0.90.8 0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

= 1

30

40

20

10h =0

KJ/kga.s.

v =

0.7

6

m3/k

gas

Aria in uscita

Aria in ingresso um. vapore

Aria in ingresso um. adiab.

L'umidificazione si ferma a φ = 0,9

perché l'efficienza di umidificazione

è del 90%.

Si trascura l'apporto di calore sensibile del vapore

(il segmento dell'umidificazione a vapore dovrebbe

essere in realtà leggermente inclinato verso destra).

14

Page 15: ESERCIZI SVOLTI DI PSICROMETRIA - energiazero.org

SOLUZIONE DEI QUESITI

3. L'aria in uscita è caratterizzata da due grandezze UR2=90% e x2 = 10 gv/kgas. Per trovare la

temperatura T2 possiamo notare che questa è uguale alla temperatura di saturazione che si avrebbe

alla pressione di saturazione pv,sat,2 (punto blu nel dettaglio grafico a fianco).

Quindi prima occorre trovare la pressione di saturazione:

Ora è possibile trovare la temperatura voluta:

4. L'entalpia dell'aria in uscita dall'umidificatore si può trovare graficamente h2 ≈ 41 kJ/kgas , oppure

analiticamente:

5. L'umidificatore da fase liquida è di tipo adiabatico, cioè non c'è scambio di calore con

l'esterno e perciò non c'è variazione di entalpia la trasformazione corre lungo la retta isoentalpica

(h2 = h1A). Dalla formula dell'entalpia si ricava:

Diagramma Psicrometrico

0

5

10

15

20

25

30

35

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Temperatura [°C]

Um

idit

à s

pe

cif

ica

[g

/kg

a.s

.]

50

60

70

80

90

100

110

120

0.7

8

0.8

8

0.8

6

0.8

4

0.8

2

0.8

0

0.9

0

0.1

0.2

0.90.8 0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

= 1

30

40

20

10h =0

KJ/kga.s.

v =

0.7

6

m3/k

gas

Esercizio 3

T2 = Tsat,2

22

22,,

622,0

x

pxp tot

satv

pv,sat,2

Pa 1781

9,001,0622,0

10132501,0

5,610ln269,17

5,610ln3,237

2,,

2,,

2,2

satv

satv

satp

p

TT C 7,15

x2

2222 9,12500 TxTh as

3 kJ/kg 0,417,159,1250010107,15

2

221

9,11

2500

x

xhT A

C 3,33

1039,11

1032500413

3

15

Page 16: ESERCIZI SVOLTI DI PSICROMETRIA - energiazero.org

Esercizio 3SOLUZIONE DEI QUESITI

Per quanto riguarda l'umidità relativa UR1A, si può ricorrere a:

Però prima di questo calcolo occorre sapere la pressione di saturazione al punto 1A:

Quindi:

6. L'umidificatore da fase vapore non è adiabatica, in particolare c'è un apporto di calore latente dovuto

al vapore. Vi sarebbe anche un piccolo apporto di calore sensibile (dovuto al fatto che il vapore

immesso è a temperatura superiore a quella dell'aria secca) ma viene trascurato, perciò:

T1V = T2 = 15,7°C.

Per quanto riguarda l'umidità relativa, il ragionamento è simile a quanto detto per il punto 3.

Abbiamo già pv,sat,1V = pv,sat,2 (perché la temperatura è la stessa) da questo possiamo trovare il grado

igrometrico l'umidità relativa:

2,,1

11

622,0 satv

totV

px

px

%3,27 273,0

1781003,0622,0

101325003,01

VUR

Pa 51215,6103,237

269,17

1,,1

1

A

A

T

T

Asatv ep

Asatv

totA

px

px

1,,1

11

622,0

%5,9 095,0

5121003,0622,0

101325003,011

AA UR

16

Page 17: ESERCIZI SVOLTI DI PSICROMETRIA - energiazero.org

Esercizio 4Un'abitazione di classe energetica A4 è dotata di un

impianto di ventilazione meccanica munito di recuperatore

di calore sensibile con efficienza nominale ηS=70% *.

La portata della mandata (coppia 1,3) è Gm = 800 m3/h, la portata

della ripresa (coppia 2,4) è Gr = 600 m3/h. La ripresa è inferiore

alla mandata per mantenere l'ambiente in pressione ed evitare

infiltrazioni esterne.

L'aria esterna si trova alle seguenti condizioni:

Te = T1 = 6°C, URe = UR1 = 50%; l'aria interna si trova

alle seguenti condizioni: Ti = T2 = 21°C, URe = UR2 = 50%.

DETERMINARE:

1. La tipologia delle trasformazioni psicrometriche realizzate.

2. L'andamento delle trasformazioni sul diagramma

psicrometrico.

3. Temperatura (T3) e umidità specifica (x3) dell'aria immessa in ambiente.

4. Temperatura (T4) e umidità specifica (x4) dell'aria espulsa all'esterno.

5. Potenza termica (Q) risparmiata grazie all'utilizzo del recuperatore.

SOLUZIONE DEI QUESITI

1. Un riscaldamento sensibile (mandata) ed un raffreddamento sensibile (ripresa) con eventuale

condensazione (va verificato coi calcoli).

2. Vedi diagramma nella pagina seguente.

* L'efficienza nominale di un recuperatore è il

rapporto tra la potenza recuperabile e quella

recuperata e si misura con portate d'aria (1,2,3,4)

identiche in ingresso ed uscita pari al valore

nominale di progetto del recuperatore.

1

34

2

Enta

lpia

spec

ific

a [k

J/kg as

]

Um

idit

à s

pec

ific

a [

gv/k

gas]

Temperatura [°C]

0

5

10

15

20

25

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55-1

0-5

05

510

1520

25

2530

3540

4045

5050

6065

7075

8085

9095

100

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

13

42

4 2

1 3

ESTERN

O

INTERN

O

17

Page 18: ESERCIZI SVOLTI DI PSICROMETRIA - energiazero.org

Esercizio 4DIAGRAMMA PSICROMETRICO

Diagramma Psicrometrico

0

5

10

15

20

25

30

35

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Temperatura [°C]

Um

idit

à s

pe

cif

ica

[g

/kg

a.s

.]

50

60

70

80

90

100

110

120

0.7

8

0.8

8

0.8

6

0.8

4

0.8

2

0.8

0

0.9

0

0.1

0.2

0.90.8 0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

= 1

30

40

20

10h =0

KJ/kga.s.

v =

0.7

6

m3/k

gas

Aria esterna

Aria interna

Non possiamo sapere a che temperatura

si fermano le trasformazioni, occorre

fare prima i calcoli!

Di sicuro la temperatura dell'aria

immessa in ambiente sarà inferiore alla

temperatura di quella ripresa

dall'ambiente e viceversa.

Se fa molto freddo l'aria interna

raffreddandosi può anche condensare nel

recuperatore.

18

Page 19: ESERCIZI SVOLTI DI PSICROMETRIA - energiazero.org

Esercizio 4SOLUZIONE DEI QUESITI

3. Dalla definizione di efficienza del recuperatore si trova la temperatura T3:

L'umidità specifica di uscita x3 è identica a quella in ingresso x1. Si può trovare graficamente:

x3 ≈ 7,8 gv/kgas.

4. Analogamente a prima si trova T4 (utilizzando l'altra definizione di efficienza):

La temperatura trovata è valida se non avviene la condensazione, altrimenti bisogna rifare i conti

considerando le entalpie anziché le temperature. Si può verificare graficamente che la condensazione

non avviene.

L'umidità specifica di uscita x4 è identica a quella in ingresso x2 in quanto non c'è condensazione. Si

può trovare graficamente: x4 ≈ 3 gv/kgas.

Ora è possibile completare il diagramma psicrometrico!

5. La potenza termica Q è pari alla potenza scambiata tra i due flussi, dal momento che ci sono solo

scambi sensibili è possibile usare la formula semplificata:

21min

31

TTm

TTmmS

12

min13 TT

m

mTT S

m

C 9,131553,066217,0800

6006

Questo elemento è il rendimento effettivo (ηS,eff) del sistema di

recupero, considerando anche le portate effettive di mandata e ripresa.

Risulta inferiore rispetto a quello nominale.

21min

24

TTm

TTmrS

12

min24 TT

m

mTT S

r

C 5,10157,0216217,0600

60012

13 hhmQ m 13 TTcm pm kW 1,269,1313600

1,2800

19

Page 20: ESERCIZI SVOLTI DI PSICROMETRIA - energiazero.org

Esercizio 4DIAGRAMMA PSICROMETRICO

Diagramma Psicrometrico

0

5

10

15

20

25

30

35

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Temperatura [°C]

Um

idit

à s

pe

cif

ica

[g

/kg

a.s

.]

50

60

70

80

90

100

110

120

0.7

8

0.8

8

0.8

6

0.8

4

0.8

2

0.8

0

0.9

0

0.1

0.2

0.90.8 0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

= 1

30

40

20

10h =0

KJ/kga.s.

v =

0.7

6

m3/k

gas

Aria esterna (1)

Aria interna (2)

Il ΔT3,1 è inferiore a ΔT2,4 in quanto la

portata di mandata è superiore a quella

di ripresa, perciò si scalda meno.

Aria espulsa (4)

Aria immessa (3)

20