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Dimensionamento delle Centrali di Trattamento Aria
Trattamenti dell’aria
Descriviamo qui di seguito tutti i processi elementari cui si sottopone l’aria, che si incontrano negli impianti di climatizzazione facendo anche riferimento al funzionamento del modulo Psicro programma che
Mc4Software distribuisce gratuitamente.
Mescolamento adiabatico
Due correnti di aria umida, con differenti condizioni termoigrometriche vengono mescolate.
Le condizioni del fluido in uscita dal mescolatore si ricavano dalle equazioni di bilancio energetico e di massa applicati ai due fluidi, trascurando i contributi cinetici e piezometrici:
Dalla combinazione delle equazioni appena scritte si ricava la portata totale e l’entalpia hu della miscela d’uscita.
Il risultato della miscela di due fluidi aventi diverse condizioni termoigrometriche calcolato con Mc4Psicro, è riportato nell’immagine qui sopra. In questo programma si inseriscono i dati relativi ai due fluidi iniziali.
Supponiamo si stia effettuando miscela tra aria esterna (Tbs=32°C, UR=60%, Portata = 0,6 kg/s) rappresentato sul grafico da M1, ed aria ripresa dall’ambiente (Tbs=26°C, UR=50%, Portata = 0,3 kg/s) rappresentato
sul grafico dal punto M2. Il punto di miscela (Tbs=30°C, UR=58,1%, Portata = 0,9 kg/s) è graficamente rappresentato da M3.
Riscaldamento o raffreddamento sensibile
Queste trasformazioni si ottengono facendo venire a contatto l’aria umida con la superficie di una batteria o in generale di uno scambiatore di calore, la cui temperatura superficiale tb sia superiore (riscaldamento) o
inferiore (raffreddamento) a quella dell’aria in ingresso. Inoltre, per il raffreddamento deve essere verificata la condizione tri ≤ tb ≤ ti cioè la temperatura tb deve essere maggiore della temperatura di rugiada dell’aria in
ingresso per
evitare la condensa e quindi la deumidificazione.
Tale trasformazione avviene quindi ad umidità specifica costante (non varia il contenuto d’acqua all’interno dell’aria).
Dall’equazione di bilancio di energetico applicato al volume che racchiude l’unità di trattamento aria fornisce la potenza della batteria di riscaldamento/raffreddamento sensibile dell’aria umida:
Nell’immagine si riporta graficamente il riscaldamento sensibile della miscela M3 fino al punto di uscita dalla batteria C effettuato con il programma Mc4Psicro. La potenza della batteria di riscaldamento è pari a 18,00 kW leggibile in valore P1.
Per quanto riguarda il raffreddamento sensibile la cosa è analoga al riscaldamento. Nell’immagine riportata di seguito si è eseguito un raffreddamento senza condensazione quindi ad umidità specifica costante.
Dal punto M3 di miscela (Tbs=28°C, UR=54,9%, Portata = 0,9 kg/s) si esegue un raffreddamento fino ad F (Tbs=18,7°C, UR=96,9%, Portata = 0,9 kg/s, Fc=0,95) La potenza della batteria di raffreddamento calcolata con Mc4Psicro, ammettendo un fattore Fc di by-pass della batteria pari a 0,95, di 8,379 kW leggibile in corrispondenza di P1.
Raffreddamento con deumidificazione
Per avere deumidificazione la temperatura superficiale della batteria tb deve essere inferiore sia alla temperatura dell’aria in ingresso che alla temperatura di rugiada corrispondente, cioè tb ≤ tri ≤ ti; l’aria, all’uscita,
avrà quindi un contenuto di vapore inferiore a quello di ingresso xu < xi
Dalle equazioni di bilancio energetico e di massa:
essendo Qb la potenza convettiva del fluido che scorre nella serpentina; hL è l’entalpia del fluido condensato la cui temperatura è praticamente tb, quindi hL ≈ 4,187 tb.
Note le sole condizioni dell’aria in ingresso (portata, titolo, entalpia) e la temperatura della superficie della batteria tb, non è possibile ricavare le condizioni di uscita della stessa e la potenza Qb in quanto le incognite
sarebbero 4 e di equazioni significative ne abbiamo due. Tutto questo è conseguenza del fatto che le condizioni dell’aria cambiano all’interno della massa fluida dalle zone in contatto con la superficie raffreddante a
quelle più distanti. Nelle ipotesi di batteria di raffreddamento con superficie di contatto elevata o scambiatore molto lungo, si può supporre che tutta l’aria sia venuta a contatto con essa e che quindi la temperatura di
uscita tu sia uguale a tb e che quindi φu = 100%.
Raffreddamento e condensazione con FC=1
Nel grafico riportato qui sopra, raffreddando ci si porta nelle condizioni F sulla curva di saturazione (φ = 100%). In queste condizioni allora diventano note l’entalpia e la temperatura di uscita ed è possibile calcolare Qb
ed mL.
Ciò nella realtà non accade perché comunque ci sarà una parte d’aria che non lambisce la batteria, di conseguenza le condizioni di uscita derivano da una miscela adiabatica tra l’aria a contatto con lo scambiatore e
l’aria in ingresso (aria che non tocca la batteria).
Si definisce quindi Fattore di by-pass Fbp quella frazione di aria che non lambisce la batteria; il Fattore di contatto sarà Fc = 1- Fbp
Da prove sperimentali si è comunque osservato che le condizioni dell’aria in uscita si trovano, con buona approssimazione, sulla retta che unisce le condizioni di ingresso (nel grafico punto M3) e quelle che si
avrebbero nel caso in cui fosse Fc=1 (nel grafico punto F).
Tornando quindi alle equazioni di bilancio, e notando che il contributo dovuto alla condensa che viene tolta dalla batteria è trascurabile rispetto alla variazione di flusso convettivo, si ha che:
Può essere utile suddividere la potenza sensibile da quella latente della batteria , in modo da definire il Fattore termico R come rapporto proprio tra il sensibile ed il latente.
Facendo riferimento alla figura sotto riportata, le due potenze si calcolano come
:
Raffreddamento e condensazione: potenza sensibile e
latente
Umidificazione
L’umidificazione avviene iniettando vapor d’acqua direttamente nella corrente d’aria (umidificazione a vapore) oppure iniettando acqua liquida (umidificazione adiabatica) attraverso degli spruzzatori o facendola venire
a contatto con un bagno d’acqua. Il programma Mc4Suite, così come il modulo Psicro, esegue permette di eseguire il solo calcolo dell’umidificazione adiabatica; vediamone i principi di calcolo.
Analogamente al raffreddamento con deumidificazione, in questo processo parte del fluido, quello investito dalla corrente d’acqua o che viene a contatto con il bagno, si porterà in equilibrio con essa e quindi in
situazione di saturazione, parte non verrà a contatto con nessuna goccia d’acqua e quindi rimarrà nelle condizioni iniziali.
In condizioni ideali, cioè con
batteria sufficientemente estesa, si può ritenere che tutta
l’aria sia venuta a contatto con l’acqua in modo che la sua
temperatura sia uguale a quella dell’acqua stessa: tu
= tb.
In queste condizioni, essendo adiabatico, il trattamento coincide praticamente con una trasformazione isentalpica, e di conseguenza il punto di uscita nel diagramma psicrometrico è così automaticamente
determinato (punto U nel grafico di seguito riportato).
Umidificazione adiabatica - isentalpica
Nella realtà, il saturatore adiabatico ha dimensioni finite, di conseguenza le condizioni effettive di uscita dell’aria, pur giacendo sulla stessa isentalpica passante per le condizioni iniziali, dipenderanno dall’efficienza del
sistema di umidificazione.
Si definisce Rendimento di umidificazione il rapporto tra la quantità di acqua effettivamente vaporizzata durante il processo e quella massima corrispondente alle condizioni limiti di aria satura in uscita:
essendo Xu, Xb l’umidità specifica in corrispondenza della curva di saturazione φ = 100%.