l`aria umida - Docenti.unina

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L’ARIA UMIDA
Definiamo Aria secca una miscela di gas la cui composizione (in volume) assumiamo costante:
· 78% Azoto
· 21% Ossigeno
· 1% Gas rari (tra cui elio, neon, argon) ed Anidride Carbonica. All’aria aperta la percentuale di
CO2 è circa 0.03%, quindi si può considerare trascurabile.
L’Aria umida è una miscela fra aria secca e vapor acqueo, la fase complessiva è gassosa; in prima
approssimazione tale sarà considerata una miscela di due gas ideali: infatti il vapor d’acqua presenta
una pressione parziale molto piccola, quindi è lecito trascurare il comportamento da vapore
surriscaldato.
La psicrometria si occupa essenzialmente dello studio termodinamico dell'aria come miscela ideale
di gas ideali e di un componente condensabile, il vapor d'acqua appunto, soggetto ai vincoli di
equilibrio di fase liquido-vapore dell'acqua. Il contenuto di vapor d'acqua, il componente
condensabile, è variabile nelle diverse condizioni ambientali e/o per effetto di operazioni di
umidificazione o deumidificazione, mentre tutti gli altri gas presenti nell'aria sono in rapporto di
concentrazione che rimane inalterato in tutte le differenti condizioni ambientali e in tutti i processi
tecnici realizzabili nel condizionamento.
L’aria che comunemente respiriamo è aria umida, la quantità di vapor acqueo presente
nell’atmosfera è, come detto, variabile, analizziamo ora un primo esperimento utile per
comprendere questo fenomeno oltre che per trovare un sistema di misurazione della quantità di
vapor acqueo nell’aria.
P =1 Atm
T = COST.
Aria Secca
Aria Umida
Figura 1
Come mostrato in figura 1 viene posto un contenitore pieno d’acqua sotto una campana dove è
presente aria secca mantenendo T e P costanti. Dopo un certo tempo parte dell’acqua presente nel
contenitore evapora. Il vapore formatosi si disperde nella campana, trasformando l’aria secca in aria
umida. Il processo continua fino a che la pressione parziale Pv del vapore saturo eguaglia la
tensione di vapore dell’acqua P° alla temperatura T alla quale si opera, ovvero la pressione di
saturazione dell’acqua Psat. All’equilibrio, quindi, Pv=P°.
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Eventuali gas inerti non influiscono sulla pressione finale del vapore (che in questo caso è una
pressione parziale nella miscela, e coincide ancora con la pressione di saturazione alla temperatura
del liquido se gas e vapore possono essere considerati gas perfetti).
Il valore limite di liquido vaporizzabile, quindi, dipende solo dalla temperatura di miscela T, e
precisamente, aumenta all'aumentare della temperatura T.
La pressione iniziale P influisce solo sul tempo richiesto per completare il processo di
evaporazione, che diventa minimo se si fa il vuoto nel recipiente.
Si ricorda che chiudendo entro un contenitore totalmente vuoto (cioè senza aria e altre sostanze) e
perfettamente ermetico una qualsiasi sostanza pura allo stato liquido, si ha sempre una certa
quantità di molecole che, liberatesi a livello dell'interfaccia liquido-vapore, si portano allo stato di
vapore (evaporazione) e di molecole che ritornano allo stato liquido condensando all'interfaccia.
Quando, per una certa temperatura T del sistema, le velocità di questi due opposti processi è uguale,
cioè quando il sistema raggiunge l'equilibrio termodinamico, la pressione che si misura è detta
pressione di saturazione del sistema alla temperatura T e si è in condizioni di saturazione, poiché si
è raggiunta la massima quantità di vapore in grado di occupare il volume sovrastante il liquido nel
contenitore. Il fenomeno della saturazione, tipico di tutte le miscele, impone un limite alla quantità
di vapore d'acqua che l'aria può contenere: un componente può sciogliere solo una determinata
quantità di un altro componente; superata questa soglia, i due restano immiscelati. Così, ad esempio,
se continuiamo ad aggiungere dello zucchero al caffè contenuto in una tazzina, a un dato punto non
potremo più mischiare caffè e zucchero perché abbiamo raggiunto il limite e la miscela è satura; lo
zucchero in più si depositerà, immiscelato, sul fondo. La stessa cosa succede all'aria secca che potrà
"sciogliere" solo una determinata quantità di vapore, quantità che dipende dalla temperatura
dell'aria: tanto più la temperatura è elevata, tanto maggiore è la quantità di vapore che essa può
miscelare.
Ciò significa che se Pv> Psat si ha una condensazione di una parte dell’acqua fino a che Pv=Psat; ad
esempio un abbassamento opportuno della temperatura porta l'aria umida in uno stato instabile, in
cui Psat diminuisce e nel quale vi è eccesso di vapore. Il nuovo equilibrio si raggiunge tramite la
condensazione, cioè il passaggio dalla fase gassosa alla fase liquida, della massa del vapore che
eccede il limite che corrisponde alla nuova temperatura. La pressione parziale è Pv= Ptot·yw , in cui
yw è la frazione molare di acqua all’interno dell’aria; per abbassare il valore di Pv è necessario che
diminuisca yw, ovvero che condensi parte dell’acqua che viene sottratta all’aria. Questo fenomeno si
verifica a contatto con le superfici "fredde", cioè quelle che hanno una temperatura minore della
temperatura di rugiada.
Nel caso dell'aria umida, che è una miscela di gas, non si ha separazione di fase condensata, quindi,
fintantoché la pressione parziale del vapore nella fase aeriforme è inferiore al valore della pressione
di saturazione alla temperatura della miscela e quando tali pressioni coincidono si dice che l'aria è
satura (del componente vapore).
Il fenomeno della saturazione è legato alla misura del contenuto di vapore d'acqua, attraverso alcune
grandezze caratteristiche:
l'umidità relativa o grado igrometrico φ, definita come rapporto tra la massa di vapor d'acqua
presente in un certo volume di aria umida e la massa di vapore contenibile in condizioni di
saturazione alla stessa temperatura nello stesso volume di aria umida. Essa rappresenta anche il
rapporto tra la densità del vapore ρv e la densità del vapore saturo alla stessa temperatura ρs.
Approssimando il comportamento del vapore come gas ideale si può scrivere anche: φ = Pv / Psat
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pvV
U .R. =
p
mv
RvT
=
= v
p sat
ms p sV
Rv T
L'umidità relativa i potrà quindi variare nell'intervallo (0¸1) in conseguenza del fatto che la
pressione parziale del vapore può risultare compresa tra Pv = 0 e Pv = Psat.
Così, un valore di umidità relativa del 10% indica un bassissimo contenuto di vapore d'acqua,
mentre per contro il 100% di umidità relativa indica che l'aria è giunta a saturazione e non può più
contenere altro vapore.
Questa grandezza è sempre compresa tra 0 e 1, quindi può essere rappresentata in forma
percentuale (tramite una semplice moltiplicazione per 100). E’ evidente che l’umidità relativa non
possa mai superare il 100%. Se così fosse, si avrebbe Pv > Psat, impossibile in condizioni
stazionarie perché in questo caso parte del vapore condenserebbe, e la pressione del vapore
tenderebbe quindi ad abbassarsi fino a tornare ad un valore lecito. Tuttavia il grado igrometrico
presenta uno svantaggio: non indica in senso assoluto quanto vapore acqueo è contenuto nell’aria,
ma piuttosto ci da’ un’idea di quanto l’aria sia distante dalla saturazione.
l'umidità assoluta o titolo x, definita come il rapporto tra la massa di vapor d'acqua e la massa di
aria secca contenuta alla stessa temperatura nelle stesso volume di aria umida [kgv /kga].
Analogamente, quindi, essa rappresenta il rapporto tra la densità del vapore ρv e la densità dell'aria
secca ρa;
Il legame esistente tra l'umidità assoluta x e l'umidità relativa i può essere espresso nel modo
seguente:
dove nv e na rappresentano rispettivamente il numero di moli di vapore e di aria secca presenti nella
miscela di aria umida considerata, mv e ma le masse molari dei due componenti (essendo l’aria un
miscuglio di vari gas, la sua massa molare viene calcolata come media pesata delle masse molari
dei vari componenti). Infine Ptot = Pa - Pv (a livello del mare Ptot =101300 Pascal) è la pressione
totale della massa d’aria umida considerata e Psat la pressione di saturazione del vapore alla
temperatura considerata (questa grandezza si ottiene delle apposite tabelle del vapore).
L’uguaglianza Pv = ϕPsat deriva dalla definizione di umidità relativa.
Si può osservare che essendo Psat = f (t) risulta anche x = f (t, φ), ovviamente se la pressione totale
della miscela Ptot è supposta costante.
Applicazioni
Vediamo ora come interpretare titolo e titolo di saturazione attraverso due esempi .
1) La saturazione dell’aria è la causa del fenomeno della pioggia .
Una massa di aria umida , la nuvola , che si trova alla temperatura TA e pressione P ha inizialmente
un titolo x minore di quello di saturazione xsat A ( relativo alla temperatura TA ).
Se si verifica un calo della temperatura il titolo di saturazione xsat risulta inferiore rispetto a prima .
Quindi può verificarsi che il titolo della massa d’aria umida sia minore del nuovo titolo di
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saturazione. In sostanza la nuvola contiene più acqua di quanta ne possa contenere e si verifica il
fenomeno della pioggia.
2) Normalmente il vapore acqueo è trasparente, quindi non visibile nell’aria , ma in condizioni
prossime a quelle del titolo di saturazione si verifica il fenomeno della nebbia. La nebbia è una
situazione molto stabile , anche se sembrerebbe non esserlo, che tende ad automantenersi grazie al
comportamento da termostato dell’acqua. Supponiamo infatti che la temperatura scenda di qualche
grado: l’acqua condensa e cede all’ambiente il calore di vaporizzazione. Questa energia liberata
tenderà a riportare il sistema all’equilibrio.
Vista dal satellite la Terra risulta per 3/4 coperta da nebbia , ma se sul nostro pianeta ci fosse
qualche miliardo di metri cubi di acqua in più il titolo dell’atmosfera aumenterebbe sino ad arrivare
a cavallo del titolo di saturazione e la Terra sarebbe ricoperta dalla nebbia perenne (come lo sono
molti pianeti).
GRANDEZZE IGROMETRICHE
Le grandezze rilevanti nello studio del comportamento di questa “aria umida” sono principalmente
la pressione, l’entalpia, la temperatura oltre all’umidità relativa e assoluta già citate in precedenza.
Pressione
L’aria atmosferica viene trattata come una miscela di gas perfetti la cui pressione è, per la
legge di Dalton, la somma delle pressioni parziali dell’aria secca e del vapore:
Pa + Pv = Patm
In particolare la pressione del vapore, per ogni temperatura, può assumere un valore che
al massimo corrisponde alla pressione di saturazione.
Entalpia
Le trasformazioni dell'aria umida comportano in generale scambi termici, che possono
essere valutati mediante variazioni di entalpia.
Nell’ipotesi di miscela di gas ideali, l’entalpia dell’aria umida può essere espressa come somma
dell’entalpia dell’aria secca e del vapore che ad essa si accompagna:
maha+mvhv
Dalla definizione del titolo, per ogni chilogrammo di aria secca ho x chilogrammi di vapor d’acqua,
per cui possiamo scrivere l’entalpia di una miscela contenente un kg di aria secca:
h1+ x =
ma ha mv hv
+
= ha + xhv
ma
ma
Alla generica temperatura t, le entalpie ha e hv possono essere valutate in relazione
ad opportuni stati di riferimento ha° e hv°.
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Entalpia dell’aria secca:
Assumendo come stato di riferimento a valore nullo di entalpia il gas ideale a T0=273,16K,
risulta:
ha=cPa(T-T0)
Dove:
• cpa : calore specifico a pressione costante dell’aria secca.
Entalpia del vapor d’acqua:
Assumendo come stato di riferimento a valore nullo di entalpia il liquido saturo a
T0=273,16K, risulta:
hv=cPv(T-T0)+λ0
Dove:
• cpv : calore specifico a pressione costante del vapore d’acqua nello stato di vapore
surriscaldato;
• λ0 : calore latente di vaporizzazione dell’acqua a 0°C.
In totale:
h1+x=cPa(T-T0)+x[cPv(T-T0)+λ0]
Si assume normalmente:
• λ0=2500 kJ/kg
• cpa=1 kJ/kg K
• cpv=1,875 kJ/kg K≈1,9 kJ/kg K
IL calore specifico dell’aria umida rappresenta il calore necessario per riscaldare di 1 °C la temperatura di 1 Kg di aria
secca e del vapore ad essa associato.
Cp u = Cp as + Cp vap ⋅ x
Cpas = 0,238 Kcal/Kg as·°C
Cpvap = 0,48 Kcal/Kg vap·°C
Temperatura
La temperatura è una delle grandezze fondamentali per definire lo stato dell’aria.
Si possono individuare due condizioni nelle quali la temperatura assume un significato
particolare:
· le condizioni di rugiada (viene definita una temperatura di rugiada)
· le condizioni di saturazione (viene individuata la temperatura di bulbo umido o di
saturazione adiabatica).
Temperatura a bulbo secco (Tbs): temperatura misurata con un termometro a mercurio
direttamente in aria ovvero qualsiasi valore di temperatura del sistema aria-acqua che non sia alle
condizioni di saturazione.
La temperatura di rugiada (Tr): temperatura per la quale il sistema aria-acqua ha raggiunto la
saturazione in condizioni isobare.
si ottiene mediante il raffreddamento (a pressione costante) di una massa d’aria umida, fino a che il
vapore presente in essa inizia a condensare. Questa situazione può verificarsi, per esempio, quando
l’aria in prossimità di una superficie fredda diminuisce la sua temperatura fino a far sì che la
superficie si appanni per la presenza di minuscole goccioline d’acqua.
Temperatura di saturazione adiabatica (Ts): è quel particolare valore di temperatura alla quale
l’acqua, evaporando nell’aria, porta l’aria stessa a saturazione allo stesso valore di temperatura. Tale
valore è univocamente determinato dallo stato termodinamico iniziale dell’aria.
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La temperatura di saturazione adiabatica è un dato termodinamico, rappresentativo di condizioni di
equilibrio
L’apparecchiatura implicata nella definizione della temperatura di saturazione adiabatica è riportata
di seguito:
m& l = m& a ( x s1 − x1 )
t1 *
t1 *
&
ma
&
ma
h1
x1
hs1
xs1
& ) viene portata a condizione di saturazione per iniezione, attraverso
Una portata di aria umida ( ma
& (di entità esattamente necessaria e
opportuni ugelli nebulizzatori, della portata di acqua ml
sufficiente allo scopo). Il processo è a regime permanente, adiabatico, isobaro e l’apparecchiatura è
pertanto chiamata SATURATORE ADIABATICO. Si imponga per l’acqua di alimentazione lo stesso
valore di temperatura dell’aria umida satura in uscita dall’apparecchio: questo valore è la
temperatura di saturazione adiabatica t1* dell’aria nello stato d’ingresso 1.
Il primo principio della termodinamica ci permette quindi di scrivere:
m& a ⋅ h1 + m& l ⋅ hl = m& a ⋅ hs1
La temperatura di bulbo umido (Tbu): temperatura che misura un termometro a bulbo quando il
suo elemento sensibile è avvolto in una garza imbevuta di acqua ed è soggetto ad una corrente
d’aria che ne provoca l’evaporazione. L’evaporazione è dovuta ad un gradiente di concentrazione
tra garza e aria (fenomeno diffusivo). L'evaporazione dell'acqua contenuta nella garza determina
un’abbassamento della temperatura dell’liquido e quindi all’interfaccia liquido-termometro, in cui si
suppone ci siano condizioni di saturazione. Contemporaneamente, si instaura un flusso di calore
contrario che dal gas fluisce al liquido, proprio per effetto della differenza di temperatura innescata
dall’evaporazione. A regime i due flussi sono uguali e mi consentono di misurare una temperatura
di interfaccia detta appunto di bulbo umido, inferiore a quella di bulbo secco. Nel caso in cui l’aria
dell’ambiente si trovi in condizioni di saturazione dalla garza non può evaporare acqua, visto che
l’aria contiene già la massima quantità di vapore acqueo consentita per le date condizioni. Ciò
comporta che, in queste ipotesi, Tbu= Tbs
Per solo il sistema aria-acqua, temperatura di saturazione adiabatica e temperatura di bulbo umido
coincidono; di conseguenza per il calcolo della prima si può fare riferimento alla seconda, la cui
realizzazione sperimentale risulta di maggior semplicità.
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Il Diagramma Psicrometrico
Il comportamento dell’aria umida nei confronti di processi quali raffreddamento, riscaldamento,
immissione di acqua, etc. può essere utilmente rappresentato sul diagramma psicrometrico con il
quale è possibile schematizzare in modo semplice le trasformazioni.
L'aria umida è quindi trattata in psicrometria come una miscela a due componenti e per
caratterizzarne compiutamente lo stato termodinamico in condizioni di equilibrio non bastano due
parametri, come pressione e temperatura per le sostanza pure, ma servono invece tre coordinate
termodinamiche indipendenti. La regola delle fasi o di Gibbs (V = C - F + 2), ove V indica il
numero di parametri indipendenti da considerare per descrivere compiutamente dal punto di vista
termodinamico un sistema in equilibrio, C è il numero di componenti e F il numero delle fasi
presenti all'equilibrio) dà ragione del fatto che siano necessari tre grandezze di stato tra loro
indipendenti. Dunque, accanto a pressione (totale) e temperatura si deve disporre di un altro
parametro in grado di esprimere la quantità di vapor d'acqua presente all'equilibrio. Ad ogni modo
per terzo parametro si può, per esempio, considerare una qualunque delle grandezze tipiche della
psicrometria.
Il diagramma adottato dall’ASHRAE riporta sull’asse orizzontale le temperature e su quello
verticale l’umidità assoluta.
• Sull’asse delle ascisse si trova la temperatura; un percorso lungo una linea retta verticale indica
una variazione dello stato psicometrico a T costante.
• L’ordinata rappresenta il titolo x (misurato in questo caso in gvap /kg aria); quindi uno spostamento
orizzontale non determina una variazione del rapporto fra quantità d’aria secca e vapore.
• Le linee diagonali decrescenti, come si può facilmente dedurre dal diagramma, sono le curve
isoentalpiche, l’entalpia specifica J viene misurata in KJ/kgaria.
• In diagonale ci sono anche linee tratteggiate che permettono la valutazione del volume specifico
della miscela aria-acqua
• Infine le curve crescenti, ciascuna identificata da un numero compreso tra 10 e 100 sono le curve a
grado igrometrico costante. Per esempio la curva indicata dal numero 10 rappresenta un’umidità
relativa del 10%, e così via per le altre. Ovviamente la prima curva da sinistra indica la regione
dove ϕ = 1 (U.R. del 100%); oltre questa curva si entra in una situazione impossibile, perché come
già detto il grado igrometrico non può superare il valore 1 (saturazione).
Dato uno stato a dell’aria individuato da un punto sul diagramma con due coordinate (per esempio
temperatura e umidità relativa), la corrispondente temperatura di rugiada Tr e temperatura di bulbo
umido (=temperatura di saturazione adiabatica) Ts possono essere determinate nel modo seguente:
la temperatura di rugiada si trova in corrispondenza dello stesso titolo xa dello stato a e
dell’umidità relativa pari al 100%; la temperatura di saturazione, in corrispondenza della stessa
entalpia h’a del punto a e ancora dell’umidità relativa del 100%.
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Un tipico utilizzo di questo diagramma è la conversione da grado igrometrico a titolo (o viceversa)
una volta nota la temperatura dell’aria. Per esempio, supponiamo di conoscere il grado idrometrico
di una certa massa d’aria, e sia nota anche la sua temperatura. In questo modo identifichiamo in
modo univoco un punto sul diagramma, come intersezione tra la curva con il ϕ specificato e la retta
verticale corrispondente alla temperatura considerata. Proiettando il punto appena trovato sull’asse
verticale, e misurandone l’altezza, si ottiene immediatamente il titolo della massa d’aria. Per
esempio, sapendo che a una temperatura di 25°C l’umidità relativa dell’aria è dell’80%, si ottiene
immediatamente un valore del titolo pari a x = 16g/kgaria, ossia per ogni kg di aria secca sono
presenti 16 g di vapore acqueo.
TECNICHE PER VARIARE L’UMIDITÀ
I metodi per umidificare sono essenzialmente tre:
•
Aggiunta diretta di vapor d’acqua: consiste nell’aggiunta di una quantità di vapore sufficiente a raggiungere il
grado di umidità voluto.
•
Aggiunta di aria umida: consiste nel miscelare l’aria da trattare con una corrente più umida.
•
Contatto diretto aria-acqua: si effettua iniettando acqua nell’aria da umidificare. L’acqua evapora aumentando
così l’umidità dell’aria.
Per diminuire l’umidità relativa, i sistemi più comunemente utilizzati sono:
•
Riscaldamento: il riscaldamento, procedendo ad umidità assoluta
costante, determina una diminuzione dell’umidità relativa.
•
Raffreddamento al di sotto del punto di rugiada seguito dal
riscaldamento: questo metodo è una vera e propria
deumidificazione. L’aria viene fatta raffreddare a temperature
inferiori al punto di rugiada, l’eccesso di vapor d’acqua
condensa e viene separato dall’aria, questa viene riscaldata
successivamente alla temperatura ed all’umidità relativa
desiderata. L’acqua eliminata corrisponde alla differenza di
temperatura tra le due umidità assolute. Il processo si realizza
facendo passare l’aria in un refrigerante, poi in uno scambiatore,
per il successivo riscaldamento, che può essere realizzato
mediante scambiatori di calore riscaldati da vapore o da fumi
caldi, mediane tubi allettati o piastre di scambio termico, o
mediante resistenze elettriche.
•
Passaggio attraverso un mezzo disidratante: l’aria viene fatta
passare attraverso un mezzo disidratante che ne trattiene
l’umidità. L’eliminazione dell’umidità avviene a temperatura
costante. La perdita di acqua è pari alla differenza tra l’umidità
assoluta iniziale e finale. Il mezzo assorbente ottimale deve
essere facilmente rigenerabile per riscaldamento; il gel di silice è
il mezzo essiccante che presenta le migliori caratteristiche.
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ESERCIZI
1. Una massa di aria umida ha umidità specifica di 15 g/kg e temperatura a bulbo secco di
30°C. Determinare l’umidità relativa, j, l’entalpia specifica, h, la temperatura di rugiada, tr, la
temperatura a bulbo bagnato, tbb, in tali condizioni.
Note due grandezze di stato si può determinare su uno dei diagrammi ci stato dell’aria umida il
punto che corrisponde allo stato dell’aria considerata.
Individuato il punto dal diagramma è possibile ricavare i valori delle altre grandezze di stato.
Nel caso specifico si ha: j =64%, h=69kJ/kg, tr=20,5°C, tbb =23,5°C
2. In un ambiente l’umidità relativa dell’aria é pari al 40% mentre la temperatura è di 20°C.
Valutare se su di una superficie che si trovi a 10°C si forma condensa.
Se una qualsiasi superficie si trova a temperatura inferiore a quella di rugiada dell’aria umida
con cui è a contatto su di essa si forma condensa. Per risolvere il problema bisogna quindi
determinare
attraverso il diagramma di stato la temperatura di rugiada, tr, la quale risulta pari a circa 6°C.
Essendo la temperatura di rugiada inferiore a quella della superficie non si forma condensa.
3. Una portata di 10 kg/s di aria umida deve passare da una temperatura di 40°C e 10% di
umidità relativa alla temperatura di 20°C e umidità specifica 12 g/kg. Determinare la potenza
termica necessaria per ottenere tale risultato.
Tracciando un bilancio di energia sulla massa di aria umida e ricavando, dopo aver individuato
gli stati del sistema all’inizio e alla fine della trasformazione, i valori dell’entalpia specifica si
ottiene:
Q = m (hf - hi )= 10 kg/s (50 kJ/kg – 52 kJ/kg)=-20 kJ
Si noti il segno meno che indica una perdita di energia da parte della massa di aria umida.
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