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igrometria ed essicCamento
Lo studio del sistema aria-acqua prende il nome di igrometria.
Lo studio delle proprietà del sistema aria-acqua assume una notevole importanza per alcune operazioni unitarie come l’essiccamento e l’umidificazione, operazioni in cui si ha trasferimento di materia e di calore.
Con il termine umidità si intende il contenuto di acqua di una certa sostanza. Nel caso specifico dell’aria si definisce:
Il volume specifico rappresenta il volume occupato da 1 Kg di aria secca a dal vapore ad essa associato in virtù dell’umidità dell’aria.
;
22,4 = volume di 1 mole di gas a c.n. (0 °C, 1 atm)
29,3 = PM aria secca
18 = PM H2O
Nel caso che l’aria sia nelle condizioni di saturazione bisognerà sostituire all’umidità assoluta Ua l’umidità di saturazione Us.
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.
Cpas = 0,238 Kcal/Kg as·°C
Cpvap = 0,48 Kcal/Kg vap·°C
L’entalpia dell’aria umida rappresenta il calore necessario per riscaldare da 0 °C alla temperatura effettiva di 1 Kg di aria secca ed il vapore ad essa associato.
Le condizioni di umidità dell’aria possono essere sinteticamente rappresentate facendo riferimento ad alcune grandezze caratteristiche:
Lo studio dell’umidità dell’aria in funzione della temperatura può essere condotto più agevolmente riferendosi al diagramma idrometrico del sistema aria-acqua.
I metodi per umidificare sono essenzialmente tre:
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.
In moltissime applicazioni industriali viene utilizzata acqua come fluido refrigerante. Quando si ha una elevata disponibilità di essa non si ha interesse a riciclarla. In altri casi può essere necessario riutilizzare l’acqua di raffreddamento.
Questa operazione viene di solito effettuata nelle torri di raffreddamento, che possono essere a secco o a liquido. In quelle a secco l’acqua scambia calore con l’aria tramite una superficie di scambio.
Nelle torri a liquido (molto più comuni) l’acqua viene fatta ricadere attraverso un flusso di aria in controcorrente. IL raffreddamento dell’acqua si ottiene per evaporazione di una frazione di essa, con il calore latente fornito dalla stessa acqua che si raffredda.
Per quanto riguarda il flusso dell’aria, questo può essere a tiraggio naturale o forzato.
La particolare forma della torre, nell’estremità inferiore è larga, poi si restringe e infine di nuovo si allarga all’estremità superiore, agevola il moto naturale dell’aria: il restringimento serve per fa diminuire la pressione, quindi ad aumentare la velocità; se la pressione nel restringimento è minore di quella dell’estremità inferiore, si crea un aspiramento, e la parte superiore funge da camino.
L’aria entra dalla parte bassa della torre ed esce dalla sommità, mentre l’acqua entra anch’essa dal basso, raggiunge il distributore che la fa ricadere a pioggia e scende nuovamente verso il basso. In alternativa, il flusso d’aria può essere indotto da un ventilatore posto in alto nella zona di uscita dell’aria. In questo modo la sezione convergente dell’estremità più la ventola, favoriscono l’uscita dell’aria per depressione.
Un altro aspetto caratteristico è la presenza all’interno di materiale di riempimento. LA sua funzione è quella di aumentare la superficie di contatto tra il liquido e il gas, migliorando così lo scambio termico e il trasferimento di materia tra le due fasi. IL riempimento è costituito da una serie di barre di legno impilate una sull’altra o da elementi di plastica o altro materiale posti alla rinfusa. Le gocce di acqua, scendendo verso il basso, si rompono in goccioline sempre più piccole, aumentando ulteriormente la superficie di contatto con l’aria.
Il gradoni raffreddamento dell’acqua aumenta all’aumentare dell’altezza di colonna e dall’altezza del riempimento.
L’essiccamento è una operazione unitaria in cui un liquido viene allontanato da un solido per evaporazione.
A seconda delle modalità secondo cui si effettua il trasferimento di calore, l’operazione può essere effettuata in diversi modi:
I solidi possono contenere umidità essenzialmente in due forme:
Quando un solido umido è posto a contatto con aria, si possono verificare i seguenti casi:
I processi di essiccamento presentano delle caratteristiche comuni descritte dalle curve di essiccamento.
La curva 1 rappresenta la velocità di essiccamento in funzione dell’umidità associata al solido secco; la curva 2 rappresenta la velocità di essiccamento in funzione del tempo. In queste due curve si rappresenta la stessa operazione.
In una prima fase la temperatura del solido varia sino a raggiungere le condizioni stazionarie (non rappresentata dai grafici). A questo punto la temperatura raggiunta sulla superficie del solido umido corrisponde alla temperatura di bulbo umido dell’aria essiccante. Raggiunta la condizione stazionaria, l’acqua comincia ad evaporare e la velocità rimane costante per tutto il tratto A-B. Superata un umidità critica, punto B, la velocità di essiccamento comincia a diminuire; questo avviene perché, essendo alcune parti del solido già relativamente prive di umidità, la superficie complessiva dell’interfase acqua-aria comincia a diminuire e con essa la velocità di evaporazione (tratto B-C). Questa fase (punto C) è caratterizzata da un aumento della temperatura del solido. Superato il punto C ci si avvicina alle condizioni di equilibrio e la velocità di essiccamento diminuisce sempre più rapidamente, a causa della difficoltà di diffusione dell’acqua all’interno del solido verso la superficie. Il processo di essiccamento è terminato quando l’umidità del solido raggiunge il valore di equilibrio.
I bilanci di energia e materia servono per calcolare la portata di aria da alimentare.
calore perso = calore acquistato
Cpau = 0,238 + 0,48·Ua
Se il testo ci fornisce il termine Qp, dovremo aggiungerlo al calore acquistato.
Fonte: http://members.xoom.virgilio.it/alberto_chim/igrometria%20ed%20essicamento.doc
Sito web da visitare: http://members.xoom.virgilio.it
Autore del testo: non indicato nel documento di origine
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