SILVIA VEZZOSI MATR. 146130
Lezione del 06\12\01 ore 16.30-18.30
CORSO DI FISICA TECNICA
ANNO 2001-2002
PROF. ANGELO FARINA
FACOLTA4 DI
ARCHITETTURA
Strumenti di misure termoigrometriche
• Igrometro a capello
• Termoigrografo scrivente a rullo
• Metodo della pesata
• Igrometro a condensazione
• Igrometro di Assman ( Psicrometro )
• Igrometro elettronico
• Analizzatore Drager
• Esercizi : - Miscelatore
- Aspetti impiantistici : condizionatore d & aria
• Tabella del vapore
• Igrometro a capello
Il funzionamento dell’ igrometro a capello si basa su un fascio di capelli e peli che hanno la caratteristica di allungarsi o contrarsi al variare dell’ umidità. Questi vengono tesi tra un sostegno fissato ed un altro tenuto tirato da una molla. A seconda dell’ umidità relativa dei capelli il sostegno mobile si muove facendo ruotare la ruota dentata a cui è collegato e che è a sua volta collegata con una ruota più piccola detta moltiplicatore che amplifica la rotazione e che fa spostare una lancetta lungo una scala graduata che indica il grado di umidità . Questo strumento è piuttosto economico ma non molto preciso a causa della sua taratura che viene effettuata a 20° centigradi per cui a temperature che si discostano notevolmente da questa la misura non è più veritiera. Inoltre mostra una forte inerzia per valori molto bassi di umidità.
•
Termoigrografo
scrivente a rullo
Questo strumento è una variante dell’ igrometro a capello ed è caratterizzato da una maggiore precisione. Al posto della scala graduata è montato un tamburo girevole che effettua un giro completo in 24 ore o in 7 giorni (a seconda del modello) avvolto in un foglio di carta con due scale : una per la temperatura e una per l’ umidità (che variano in ordinata) in funzione del tempo (che invece varia sull’ ascissa). La lancetta è sostituita da due pennini montati su un supporto e collegati rispettivamente ad un termometro e ad un igrometro a capello in modo da poter registrare i dati su carta. Il meccanismo di avanzamento è regolato da un elemento igrometrico costituito da fasci di capelli selezionati e trattati in modo tale da garantire una precisione di misura più o meno del 3% di umidità relativa. E’ un esempio di questo strumento la centralina meteo che è dotata di un terzo pennino per registrare la pressione e dipendente da un barometro. Viene inoltre utilizzato nei musei per monitorare le condizioni ambientali in cui vengono conservati reperti importanti.
•
Metodo della pesata
Per il metodo della pesata viene utilizzato un tubo con due griglie laterali che permettono il passaggio di gas compressi, in particolare dell’ aria compressa e nel quale sono contenute particelle avide di acqua( sali, acido solforico o cristalli di gel di silice). Si fa passare una certa quantità d’ aria attraverso il tubo e queste particelle trattengono l’ acqua che questa contiene. A questo punto con una semplice misurazione del peso del sistema prima e dopo il passaggio dell’ aria e relativo confronto si conosce la massa di acqua presente nella quantità d’ aria analizzata e con successivi calcoli si ottiene il grado igrometrico di umidità.
Questo metodo è piuttosto semplice ed antico e l’ invenzione è dovuta a Leonardo che lo utilizzava per fare previsioni metereologiche osservando le variazioni dell’ umidità.
•
Igrometro a
condensazione
Questo strumento è attualmente in disuso a causa della difficoltà della misura. E’ costituito da una vaschetta in acciaio inox sulla cui superficie sono posti un termometro che ne misura la temperatura e il condensatore di una macchina frigorifera. La macchina frigorifera in un primo momento è spenta e il recipiente si trova quindi a temperatura ambiente( temperatura iniziale), accendendola comincia a far raffreddare la vaschetta ed un tecnico viene incaricato di verificare la temperatura (temperatura finale) alla quale l’ acqua comincia ad evaporare depositando le prime goccioline sulla superficie del contenitore rendendolo opaco. Conoscendo le temperature iniziale e finale e la pressione atmosferica si ricavano titolo e umidità relativa.
Utilizzando il diagramma psicrometrico
Chiamiamo 1 il punto iniziale a cui corrisponde la temperatura ambiente sull’ asse delle ascisse e il titolo x sull’ asse delle ordinate. Raffreddando la vaschetta ci si sposta nel punto 2 (detto di rugiada) a cui corrisponde la temperatura di rugiada mentre il titolo rimane costante in quanto costante la quantità d’ acqua. Per ricavare il titolo utilizzo le tabelle e la formula :
Dove
rappresenta la pressione di
saturazione del vapore alla temperatura di rugiada 
e 
la pressione della massa d’
aria che si sta considerando.
Per
conoscere il valore di 
basta porre 
o leggerlo direttamente sulle
tabelle.
•
Igrometro di Assman (
psicrometro )
Lo psicrometro è lo strumento più preciso per
misurare l’ umidità ed è costituito da un tubo in acciaio inox a Y ai cui
tratti paralleli sono collegati due termometri, uno con una garza imbevuta d’
acqua per mantenerlo umido e l’ altro asciutto. In questi condotti paralleli
entra l’ aria che si vuole analizzare, dall’altro, in cui si può trovare una
ventola per favorire il passaggio dell’ aria, esce. Quando si comincia a far
scorrere l’ aria i due termometri indicano temperature diverse, in particolare 
dove 
è la temperatura del
termometro asciutto e 
di quello bagnato e saranno
uguali solo quando l’ umidità relativa è al 100%. Questa differenza è dovuta al
fatto che l’ acqua nella garza bagnata evapora assorbendo il calore di
vaporizzazione e facendo quindi diminuire la temperatura rispetto al tubo con
il termometro asciutto. Il passaggio da 
a 
è una trasformazione
isoentalpica cioè 
dove 
e 
rappresentano le due
entalpie, Q lo scambio di calore con l’
esterno e L il lavoro prodotto dal
sistema. Questi ultimi sono nulli perché non c’è scambio di calore con l’
esterno e il lavoro prodotto è irrilevante, quindi
Ragionando con le unità delle miscele di aria e vapore ottengo che
dal momento che si considerano quantità riferite all’ aria secca.
Utilizzando il diagramma psicometrico ricavo i punti A e B uniti dalla retta J costante e mi muovo in diagonale a differenza dell’ igrometro a condensazione
A questo punto calcolo l’ entalpia
Posso
così ricavare il titolo mediante i calcoli o leggendolo nella tabella.
•
Igrometro elettronico
L’ igrometro elettronico è costituito da un
trasduttore di tipo resistivo o capacitivo, cioè da un condizionatore che varia
la propria capacità al variare del grado igrometrico dell’ aria e da un
circuito di condizionamento. In questo strumento è presente un ponte di
resistenze, in particolare si utilizza il ponte Wheatstone per la sua elevata
sensibilità alla variazione di resistenza di uno dei suoi rami. Si indica con
una freccia il resistore variabile(trasduttore). Il circuito impone una
tensione nulla sul voltmetro quando le resistenze sui quattro rami sono
bilanciate, quando la resistenza 
( quella che contiene il
sensore) varia, la tensione misurata non è più nulla. E’ possibile quindi dalla
variazione di tensione ricavare il grado di umidità.
Questo strumento è caratterizzato da una discreta precisione ed è utilizzato per molte applicazioni di uso comune per la facilità con la quale possono essere trattati i dati.
•
Analizzatore Drager
Questo strumento è costituito da un
analizzatore e da fialette. Il primo elemento è una sorta di pompa con uno o
più buchi su di un lato con un diametro di circa 1 cm e una profondità di 15
cm. In questi buchi possono essere inserite le fialette. Per compiere la
misurazione si esercita una pressione sulla pompa, questo gesto permette l’
entrata di una quantità di aria indicata dal costruttore ( per molti modelli è
di 100
) nelle fialette. In ogni
fialetta utilizzata sono contenute sostanze chimiche che reagiscono con l’ aria
cambiando colore in modo proporzionale alla grandezza da misurare. E’ quindi
possibile una lettura immediata dei dati sulla scala graduata delle fialette e,
in base al tipo di sostanza contenuta in ogni fialetta è possibile compiere
misurazioni di caratteristiche differenti ( ad esempio ci sono fialette per
misurare il gradi igrometrico, altre che rivelano la presenza di gas tossici,
ecc. ).
Questo strumento è molto semplice da utilizzare ed è piuttosto economico se il numero di misure da effettuare è limitato. E’ però da tener presente il fatto che le fialette sono monouso e che vanno utilizzate immediatamente dopo la rottura delle chiusure laterali.
Proprio per la loro praticità vengono utilizzate ad esempio dai vigili del fuoco per l’ analisi dell’ aria di alcuni ambienti e per altre applicazioni.
· Esercizio 1 (miscelatore )
Un miscelatore è un elemento adiabatico isolato
meccanicamente cioè Q=0 e L=0. Dal tubo 1 entra una corrente d’ aria umida di
massa 
, temperatura 
e 
. Dal tubo 2 entra un’ altra
corrente d’ aria di massa 
, temperatura 
e 
.
Trovare
le caratteristiche della corrente che esce dal tubo 3 ( 
)
Ipotizzando che il vapore non condensi si ha
La massa del vapore acqueo
Ricavo
i titoli 
e 
dell’ aria nei tubi 1 e 2
utilizzando la formula
ottenendo il valore 0.04753 dalle tabelle del vapore.
Allora
si ricava 
Il titolo di uscita è uguale alla media pesata rispetto alla massa dei punti 1 e 2. Si definiscono i due punti sul diagramma psicometrico e si ottiene la soluzione sulla loro congiungente.
Effettuando il bilancio dell’ energia
Sapendo che il lavoro e il calore scambiato sono nulli per i dati iniziali del problema
Si
calcolano 
e 
utilizzando la formula
A
questo punto si può ricavare 
considerando che l’ entalpia è
data dalla media pesata delle entalpie in entrata
Si ricava ora la tempera
Il valore della pressione di saturazione si ricava dalle tabelle
Ricavo
Espresso in percentuale ha un valore del 64%.
Soluzione grafica
•
Esercizio 2 (
condizionatore d’ aria )
Si consideri un condizionatore d’ aria, strumento in grado di modificare i parametri di temperatura e grado igrometrico di una corrente d’ aria. Si vuole dimensionare la macchina per il condizionamento estivo.
Il
condizionatore è costituito da una ventola per favorire l’ afflusso dell’ aria
con una potenza 
. Nel tratto successivo è
situata una serpentina di raffreddamento che sottrae calore all’ aria e la
porta alla temperatura di rugiada. La condensa che si forma a causa del
raffreddamento viene raccolta da alcune alette e l’ acqua viene incanalata ed
eliminata dallo strumento. A questo punto l’ aria troppo fredda per essere
immessa nell’ ambiente passa attraverso un’ ultima sezione detta di post-riscaldamento che porta l’ aria ad
una temperatura adeguata.
Si osserva il diagramma psicometrico
L’
aria entra nel condizionatore (punto 1) ad una temperatura 
ed è umida. Quando entra in
contatto con la griglia di raffreddamento le viene sottratto il calore 
e raffredda fino al punto 1'.
Il titolo 
rimane costante in quanto
costanti sono le masse d’ aria e vapore. A questo punto comincia la
condensazione con conseguente raffreddamento fino al punto 2 a cui corrisponde
la temperatura 
. Anche il valore del titolo
scende ad 
perché la massa d’ aria resta
costante ma parte del vapore condensa. Nell’ ultimo tratto del condizionatore
viene fornito un calore 
all’ aria che raggiunge una
temperatura 
, il titolo 
resta costante rispetto a 
ma cala l’ umidità.
Dati dell’ esercizio:
Il
volume dell’ ambiente sottoposto all’ effetto del condizionatore è 
con un ricambio d’ aria ogni
ora. Quindi
L’ aria che entra nel condizionatore ha una
temperatura 
e 
quella che ne uscirà una
temperatura 
e 
.
La ventola sviluppa una potenza che rappresenta il lavoro meccanico.
Si determinino i calori 
e 
per unità di tempo scambiati nel condizionatore.
Si
calcola il titolo 
sull’ aria che entra
e
il titolo 
dell’ aria che esce
Si vuole ricavare la massa liquida che esce dal condizionatore. Si trasforma la portata in volume in portata in massa di aria secca. L’ aria secca è un gas perfetto quindi è possibile utilizzare la formula
Allora la massa liquida
In questo modo si è realizzato il bilancio delle masse. Ora si realizza il bilancio energetico tra i punti 1 e 2
dove
rappresenta l’ entalpia dell’
acqua liquida in fase di condensazione.
Dalle tabelle si ricava la temperatura di rugiada rispetto al punto 3
A questo punto si calcolano le entalpie specifiche dei punti 1, 2 e 3
Si ricava l’ entalpia specifica dell’ acqua condensata
sostituendo nell’ equazione di bilancio energetico si ottiene
Il
segno meno di 
indica che il calore è uscente
dal sistema. 
rappresenta il calore che
fornisce l’ elemento di post-riscaldamento.