FRANCESCO MASONI                 LEZIONE DEL 6/12/01

 

 

Strumenti per la misura dell’umidità

1) IGROMETRO A CAPELLO

Si basa sul principio fisico che i capelli e i peli animali si contraggono o allungano a seconda dell’umidità dell’aria .

Il fascio di capelli è collegato all’indicatore a mezzo di una molla sensibile ed a un perno che permette il movimento al variare dell’umidità varia leggermente la lunghezza del fascio di capelli facendo girare la ruota dentata che sua volta mette in movimento il binario su di un lato del fascio. A questo punto, messa in movimento, la ruota piccola sposta la lancetta sulla scala graduata. A causa della sua imprecisione però non viene usato spesso.

2)TERMOIGROGRAFO SCRIVENTE A RULLO

Il Termoidrografo o centralina meteo è basato sullo stesso principio dell’idrografo a capello ma questa volta troviamo un rullo in movimento all’interno di una scatola di plexiglass sul quale sono appoggiati dei pennini, di colori diversi.

Sul rullo viene appoggiato un voglio di carta graduata dove i pennini, collegati rispettivamente ad un termometro, un igrometro a capello e un barometro, si muovono con un precisione  fornendo il grado di umidità la temperatura e la pressione.

 

 

 

 

3) METODO DELLA PESATA

E’ uno dei metodi per la misura del grado igrometrico più semplice e antico tuttora impiegato in campo scientifico. Lo strumento in figura è un assemblaggio tra un tubo ed un contatore. Posizionando il tubo davanti alla linea da controllare, l’aria umida attraverserà il tubo incrociandosi con cristalli di gel di silice o di acido solforico anidro, privi d ‘acqua. A questo punto il materiale all’interno ci consentirà di trovare la massa d ‘acqua per metro cubo d ‘aria.

4) IGROMETRO A CONDENSAZIONE

In questo caso l ‘igrometro è costruito utilizzando un contenitore metallico raffreddato da un normalissimo condensatore. Tenuto sotto stretta osservazione si aspetta che inizi a formarsi una leggera patina di condensa nel contenitore ed è proprio in quel momento che si procederà alla trascrizione della temperatura, calcolata tramite un termometro a contatto con il metallo. A questo punto, conoscendo le due Temperature, quella iniziale precedentemente segnata e quella finale, la pressione atmosferica, è facile risalire alle misure di titolo e umidità relativa.

Dal Diagramma Psicrometrico, uno dei metodi migliori per mettere in relazione il Titolo e il Grado igrometrico, possiamo notare come il nostro contenitore all’inizio del’ esperimento abbia una certa temperatura che in questocaso verrà espressa come Ta, a questa corrisponde un determinato Titolo, che rimarrà costante per tutto il corso del’ esperimento, ed un determinato Grado. Al trascorrere dei secondi la temperatura salirà mostrando graficamente una retta orizzontale arrivando.

Trasformazione di condensazione su diagramma psicrometrico

Il titolo può essere calcolato con questa equazione :

ponendo semplicemente (j = 1, oppure leggendolo direttamente dalle tabelle). Ovviamente Psat(Tr) rappresenta la pressione di saturazione del vapore alla temperatura Tr (si legge sulle tabelle) e Ptot la pressione della massa d’aria oggetto della misura (eventualmente la pressione ambiente).

Per conoscere il Grado si potrà ora calcolarlo attraverso la seguente formula, estrapolazione del’ inversa di quella precedente :

NOTA: Entrambe queste formule derivano direttamente dal calcolo del titolo di una miscela d’acqua e vapore considerando il fatto che questi possono essere considerati due gas perfetti.

5) IGROMETRO ELETTRONICO

Esempio di sensore igrometrico capacitivo

Ideale per una gran parte delle applicazioni, l ‘igrometro elettronico è composto dal trasduttore e da un circuito di condizionamento.

Il trasduttore può essere di due tipi resistivo o capacitivo, un condensatore in grado cioè variare al variare del Grado igrometrico dell ‘acqua.

Se il sensore è di tipo resistivo viene supportato da un ponte detto di Wheastone.

6) ANALIZZATORE DRAGHER

Esempi di analizzatori Drager

L ‘Analizzatore Dragher rappresenta una grande novità nel campo delle misurazioni. Composto da un analizzatore e da fialette, lo strumento presenta dei fori cilindrici da un lato della profondità di 15cm del diametro di 1cm che contengono le fiale.Queste, previa pressione dell’ analizzatore raccolgono 100 cm cubi di aria che entra a contatto con delle sostanze chimiche che cambiano colore, indicando sulla scala graduata disegna sulle fiale la misura della grandezza incognita.

Ci sono infatti vari tipi di fialette tra cui quelle per misurare gas tossici, infiammabili o radioattivi.

7) IGROMETRO DI ASSMAN (Psicrometro)

Sebbene sia basato su di un concetto abbastanza semplice è uno degli strumenti di misurazioni più precisi e più pratici che si trovano tuttora in commercio.

Lo strumento appare in un primo momento a forma di y per il fatto che al tubo centrale di fuoriuscita dell’ aria si aggiungano due altri piccoli tubi, di entrata dell’ aria, ad una dell’ estremità.

Nei due tubi più piccoli vengono poi inseriti dei termometri, di cui uno con una garza bagnata sul bulbo, che misureranno la temperatura asciutta e quella bagnata.

Con il passaggio dell’ aria si potrà quindi constatare che la temperatura bagnata è minore di quella asciutta a causa dell’assorbimento del calore latente da parte del vapore.

Dati Ta come la temperatura asciutta, Tb come quella bagnata e r come il calore latente di vaporizzazione, calcoliamo il Titolo e il Grado igrometrico dell’ aria.

L ‘affermazione prevede una trasformazione isoentalpica prodotta dal fatto che le due entalpie siano uguali ottenendo quindi che

Infine attraverso un diagramma psicrometrico e le formule dell’ entalpia troviamo grafcamente il Titolo e il grado :

ESERCIZIO 1

- Esercizio di miscelazione in un sistema aperto -

Dato un sistema a due entrate ed unica via di uscita determinare le caratteristiche del corrente d ‘aria umida in uscita.

Vengono forniti i seguenti dati: - miscelatore adiabatico (Q=0, L=0)

- massa aria umida     ,

- temperatura aria       ,

- grado igrometrico     ,

Grazie al fatto che il regime è stazionario ricaviamo facilmente la massa …

calcoliamo i titoli dell ‘aria in entrata …

rivolgendoci poi al bilancio di massa del vapore acqueo troviamo facilmente il Titolo dell ‘aria in uscita.

attraverso la formula per calcolare la pendenza delle curve a entalpia costante troviamo che

 

Per ottenere la temperatura basterà invertire la stessa formula ottenendo …

infine consultando le tabelle del vapore per conoscere la pressione di saturazione alla temperatura ottenuta si avrà che

ESERCIZIO 2

-        Condizionatore d ‘aria –

Un condizionatore in generale è composto da 4 elementi fondamentali. Innanzitutto una ventola, che facilità l’afflusso d’aria, e in figura è rapprsentata da una potenza  entrante. Immediatamente dopo l’aria incontra una serpentina di raffreddamento (per esempio il condensatore di una macchina frigorifera) che le sottrae una calore per unità di tempo , in modo da portarla alla temperatura di rugiada. Le alette che si trovano subito dopo hanno il compito di raccogliere la condensa formatasi a causa del raffreddamento (vedi diagramma psicrometrico più sotto), formando acqua che viene incanalata in un tubicino (e poi scaricata oppure raccolta in bottiglioni per essere usata come acqua distillata). L’aria nel punto 2 è satura e troppo fredda per essere immessa in un ambiente (perchè la condensazione richiede calore per avvenire, che viene sottratto dalla corrente d’aria), quindi passa attraverso l’ultima sezione del condizionatore, chiamata di post-riscaldamento, che fornendo il calore per unità di tempo  scalda l’aria e la rende adatta ad essere immessa nell’ambiente, come nel punto 3.

Vediamo un esercizio applicativo con  dati numerici :

rappresenta il volume complessivo dell’ambiente, che si vuole condizionare ad un volume all’ora (significa che l’intero volume d’aria deve entrare nel condizionatore esattamente una volta all’ora), quindi la portata in volume dell’aria ingresso

 

ed inoltre sono note le caratteristiche di questa aria

                        

Noto inoltre che l’aria in uscita deve avere

                       

e la potenza della ventola sviluppata dalla ventola vale

determinare i calori per unità di tempo e  scambiati nel condizionatore.

Dapprima possiamo facilmente calcolare il titolo dell’aria in ingresso (x1) come nell’esercizio precedente, quindi

e analogamente per il titolo dell’aria in uscita

D’altra parte l’aria secca è un gas perfetto, quindi

e

quindi

che rappresenta la portata in massa di aria secca in uscita (che equivale a quella di ingresso ). Possiamo quindi facilmente trovare la portata in massa dell’acqua condensata, come

A questo punto facciamo il bilancio energetico della prima parte del condizionatore (comprendende i punti 1 e 2), ottenendo

dove hl rappresenta l’entalpia specifica dell’acqua liquida in fase di condensazione. La temperatura di quest’ultima può essere estrapolata dal diagramma psicrometrico oppure dalle tabelle dell’aria satura, ottenendo

(in realtà dalle tabelle si otterrebbe un valore del titolo, per aria satura alla temperatura di 10°C, pari a 0,00762 kgV/kgA contro i 0,0074 kgV/kgA del nostro caso, quindi con un errore ancora accettabile).

A questo punto calcoliamo le entalpie specifiche dell’aria in 1, 2 e 3, ottenendo

mentre l’entalpia specifica dell’acqua liquida condensata

di conseguenza sostituendo nell’equazione di bilancio energetico otteniamo

dove il segno meno sta ad indicare che è un calore uscente dal sistema (sottratto dall’aria) mentre il lavoro è negativo perchè effettuato sul sistema.

Infine, scrivendo l’equazione di bilancio energetico per la seconda parte del condizionatore (punti 2-3) otteniamo

che rappresenta il calore che deve essere fornito alla batteria di post-riscaldamento.