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Umidità e pressioni “normali”
1.1 UMIDITA’
Nell’aria è sempre presente una certa quantità di umidità che è in relazione generalmente alla temperatura stessa dell’aria. Maggiore è infatti la temperatura dell’aria e maggiore è la quantità di vapore acqueo che può essere presente. La capacità di assorbire umidità aumenta quindi con la temperatura. Il massimo contenuto possibile di vapore che può essere contenuto è riportato nella tabella ed indicato con: umidità assoluta di saturazione o punto di rugiada: si definisce in questo modo l’aria satura di umidità o semplicemente satura. Generalmente l’aria contiene una quantità di umidità minore di quella corrispondente allo stato saturo. Ecco alcune definizioni:
PRESSIONE: È’ il rapporto tra una forza e la superficie su cui essa agisce. P= F (N) / S (m2) = Pa
PRESSIONE ATMOSFERICA: Equivale alla pressione esercitata dll’aria su una superficie di 1 cm2 all’altezza del mare.
PRESSIONE ASSOLUTA: È la pressione riferita alle condizioni di pressione 0: vuoto assoluto.
PRESSIONE RELATIVA: È la pressione riferita alle condizioni di pressione atmosferica: è quella solitamente indicata dai manometri utilizzati nei circuiti pneumatici. La Pressione relativa è uguale a (P. assoluta) - (P. atmosferica)
UMIDITA’ DI SATURAZIONE `e la quantità di vapore acqueo contenuto in un metro cubo di aria satura. Il suo valore non dipende dalla pressione ma dipende solo dalla temperatura.
UMIDITÀ ASSOLUTA `e il peso in grammi di vapore acqueo contenuto in un metro cubo di aria.
UMIDITÀ RELATIVA `e il rapporto, espresso in percentuale, tra il peso in grammi di vapor acqueo effettivamente presente in un metro cubo d’aria e la sua umidità di saturazione
umidità relativa = (umidità assoluta / umidità di saturazione) x 100
GRADO IGROMETRICO `e l’umidità relativa non espressa in percentuale. Dire ad esempio umidità relativa del 63% `e come dire grado igrometrico 0.63. Ne deriva che l’umidità assoluta `e data da:
umidità assoluta = umidità di saturazione · grado igrometrico
Gli apparecchi che servono per misurare l’umidità relativa sono gli Igrometri.
PUNTO DI RUGIADA `e la temperatura alla quale l’umidità relativa dell’aria raggiunge 100% (aria satura). A questa temperatura inizia la condensazione del vapor d’acqua contenuto nell’aria se questa viene raffreddata. Dalla tabella si rileva che quanto più il punto di rugiada `e basso tanta meno acqua, sotto forma
di vapore, può essere contenuta nell’aria e viceversa.
Peso in grammi di vapor d’acqua contenuto in un metro cubo d’aria satura
°C |
g |
°C |
g |
°C |
g |
°C |
g |
°C |
g |
°C |
g |
|
|
49 |
78,491 |
32 |
33,490 |
15 |
12,739 |
-2 |
4,135 |
-19 |
0,960 |
|
|
48 |
74,871 |
31 |
31,774 |
14 |
11,987 |
-3 |
3,889 |
-20 |
0,880 |
|
|
47 |
71,395 |
30 |
30,078 |
13 |
11,276 |
-4 |
3,513 |
-21 |
0,800 |
|
|
46 |
68,056 |
29 |
28,488 |
12 |
10,600 |
-5 |
3,238 |
-22 |
0,730 |
90 |
424 |
45 |
64,848 |
28 |
26,970 |
11 |
9,961 |
-6 |
2,984 |
-23 |
0,660 |
70 |
198 |
44 |
61,772 |
27 |
25,524 |
10 |
9,356 |
-7 |
2,751 |
-24 |
0,600 |
60 |
129,200 |
43 |
58,820 |
26 |
24,143 |
9 |
8,784 |
-8 |
2,537 |
-25 |
0,550 |
59 |
123,495 |
42 |
55,989 |
25 |
22,830 |
8 |
8,243 |
-9 |
2,339 |
-26 |
0,510 |
58 |
118,199 |
41 |
53,274 |
24 |
21,578 |
7 |
7,732 |
-10 |
2,156 |
-27 |
0,460 |
57 |
113,130 |
40 |
50,672 |
23 |
20,386 |
6 |
7,246 |
-11 |
1,960 |
-28 |
0,410 |
56 |
108,200 |
39 |
48,181 |
22 |
19,252 |
5 |
6,790 |
-12 |
1,800 |
-29 |
0,370 |
55 |
103,453 |
38 |
45,593 |
21 |
18,191 |
4 |
6,359 |
-13 |
1,650 |
-30 |
0,330 |
54 |
98,883 |
37 |
43,508 |
20 |
17,148 |
3 |
5,953 |
-14 |
1,510 |
-31 |
0,301 |
53 |
94,483 |
36 |
41,322 |
19 |
16,172 |
2 |
5,570 |
-15 |
1,380 |
-32 |
0,271 |
52 |
90,247 |
35 |
39,286 |
18 |
15,246 |
1 |
5,209 |
-16 |
1,270 |
-33 |
0,244 |
51 |
86,173 |
34 |
37,229 |
17 |
14,367 |
0 zero |
4,868 |
-17 |
1,150 |
-34 |
0,220 |
50 |
82,257 |
33 |
35,317 |
16 |
13,531 |
-1 |
4,487 |
-18 |
1,050 |
-35 |
0,198 |
Si può notare dalla tabella che 1 m3 di aria avente la temperatura di 30 °C può contenere fino a 30 g di acqua. Questo non significa che 1 m3 d’aria a 30°C contenga sempre 30 g di acqua, cioè il 100% della sua capacità.
Se per esempio ne contiene solo 6 g, allora l’umidità assoluta (grammi di vapore contenuti nell’aria) è di 6g/m3 mentre l’umidità relativa (umidità assoluta / umidità assoluta di saturazione) può essere calcolata con l’espressione
UMIDITA’ RELATIVA = 6 /30 = 0,2 oppure UMIDITA’ RELATIVA PERCENTUALE = (6 /30) X 100 = 20%
Esempio
Un normal metro cubo (vedi nota)di aria satura a 20°C contiene 17,148 g di vapore acqueo. Dato che, come già accennato, l’umidità di saturazione non dipende dalla pressione ma solo dalla temperatura, anche un metro cubo di aria sempre a 20 °C ma a una pressione assoluta di 6 bar (0.6MPa), viene saturato dalla stessa quantità di vapore acqueo.
Supponiamo ora che l’aria non sia satura ma abbia un’umidità relativa dell’83%. Sia alla pressione atmosferica che alla pressione di 6 bar la sua umidità assoluta sarà 17, 148 · 0, 83 = 14, 23 g/m3.
Dalla tabella si rileva che il suo punto di rugiada `e compreso tra 16 e 17 °C. Alla temperatura di 17 °C la condensazione non ha ancora inizio perché l’aria a tale temperatura può contenere fino a 14,367 g/m3 di vapore, mentre alla temperatura di 16 °C si ha la condensazione di: 14, 23 − 13, 531 = 0.699 g/m3 di vapore acqueo.
Supponiamo ora di avere 5m3 di aria a 0,6MPa assoluti. Siccome un metro cubo di aria a 6 bar (assoluti) occupa, alla pressione atmosferica, un volume di 6m3 (6 nm3), per avere 5m3 a 6 bar si saranno dovuti comprimere 30 nm3 di aria alla pressione atmosferica. Se la temperatura `e di 17 °C e l’umidità sempre dell’83% quest’aria conterrà 14, 367 · 0, 83 · 30 = 357, 74 g di vapor acqueo. La stessa quantità si ritroverà a 6 bar ma in un volume di soli 5m3 cioè 357, 74/5 = 71, 548 g/m3. Se anche a questa pressione la temperatura `e di 17 gradi si avrà la condensazione di (71, 548 − 14, 367) · 5 = 285, 9 grammi di acqua.
1.2 – Il caso di un compressore
La presenza di condense nell’aria compressa dipende dall’umidità relativa dell’aria aspirata e dalla temperatura. L’umidità relativa viene indicata in percentuale (rapporto fra umidità assoluta e quantità massima di vapore acqueo che l’acqua può contenere allorché è satura, come da tabella). Generalmente l’umidità relativa dell’aria varia, in funzione delle condizioni atmosferiche, tra il 20% ed il 90%.
Il compito del compressore è quello di comprimere l’aria che si trova alla pressione atmosferica (circa 1 bar) e portarla ad una pressione p. Alla fine della compressione il volume dell’aria è diminuito passando dal valore iniziale vi, a quello finale vf : vf = vi / p+1
Esempio
Tenendo conto che l’aria atmosferica contiene, secondo le condizioni meteorologiche, umidità relativa del 60-90%, si vogliono comprimere 70 N m3/h di aria atmosferica a 30°C e 80% di umidità relativa ad una temperatura di 20°C e ad una pressione di 6 bar.
Si vuole determinare la portata di acqua che viene scaricata dal compressore.
Soluzione
Innanzitutto si determina la portata di aria in uscita dal compressore.
vf = vi / p+1 =(70m3 / h) / (6+1) = 10 m3 / h
L’umidità assoluta dell’aria a 30° secondo i valori della tabella è 30 g/m3 x 80/100 = 24 g/m3.
Qualora l’aria si raffreddi a 20 °C, il valore massimo di umidità contenuto nell’aria è di 17g/m3 e pertanto ogni m3 di aria perderà (24-17) = 7g.
Con un consumo di aria aspirata di 70 Nm3/h, ogni ora, si hanno quindi 7g x 70 = 490 g /h di acqua
Nota: nell’ultimo esempio si è volutamente usata una unità di misura ambigua, il “normal metro cubo”. Dalle precedenti dispense, sappiamo che il Nm3 si riferisce ad una pressione di 101325 pascal e ad una temperatura di 0 °C. Perché allora abbiamo detto “ad una temperatura di 20°C ed un’umidità del 65%”? Proprio perché si tratta di una ambiguità che deriva dalla pratica comune, e varia di significato a seconda dell’ambito in cui viene usata… ne chiariremo il concetto nel prossimo capitolo.
2.1 – La pressione e gli standards.
Quando ci si deve riferire al volume ed al peso di un gas, si è obbligati ad usare delle condizioni convenzionali di temperatura e pressione, visto che le caratteristiche di un gas variano in proporzione a queste grandezze. Abbiamo visto che si parla di Normal metro cubo riferendoci alla pressione di 1013,35 mbar e 0°C di temperatura dell’aria secca, mentre lo standard metro cubo è riferito alla stessa pressione ma a 15 °C.
Ma questo in Italia…..
Nei paesi anglosassoni si ha invece il “vizio” di considerare “normali” le condizioni dell’aria a seconda del lavoro che si svolge: così, per un installatore di impianti di condizionamento in USA, le condizioni “normali” sono 20 gradi di temperatura e 65% di umidità…. per un pilota d’aereo sono le condizioni a 15°C di aria secca, per un costruttore di compressori è “normale” l’aria a 25 °C e 65% di umidità…. Senza contare che sono stati attribuiti nomi diversi dai nostri, a volte con significato opposto, costringendo chi legge a difficili conversioni. Non sempre, ad esempio, viene specificato a che temperatura, pressione ed umidità viene fatta la misura… ma si dice solo “in condizioni normali”… col risultato che se consideriamo dei testi provenienti dagli USA (dove le denominazioni sono esattamente opposte alle nostre) dobbiamo prestare la massima attenzione.
Ecco alcuni esempi:
In chimica, convenzionalmente i valori standard delle variabili di stato termodinamiche sono fissati in 273.15 K (0 °C) e 100 kPa. Prima del 1982 era utilizzato un valore di pressione di 1 atm (ovvero 101.325 Pa), molto prossimo a quello attuale. Peccato che sulle tabelle che si trovano nei testi non ci sia scritto anche l’anno di pubblicazione…. Comunque, la conversione da pascal ad atmosfere non presenta difficoltà.
Oggi si usa in chimica solo la denominazione convenzionale della IUPAC (IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), che fino al 1982 riportava a at 0oC (273.15 K, 32 oF) ed 1 atm (101.325 kN/m2, 101.325 kPa, 14.7 psia, 0 psig, 29.92 in Hg, 760 torr, 33.95 Ft.H2O, 407.2 In.W.G, 2116.8 Lbs./Sq.Ft.), mentre ora si riferisce invece a 100 kPa.
Quando in Italia, in chimica, ci si riferisce alle “condizioni normali”, si parla di questo. Negli Stati Uniti, la stessa convenzione di misura in chimica si chiama invece STP (Standard Temperature and Pressure) se usata in chimica.
Se invece parliamo di “sistema di misure imperiali”, STP vuol dire aria a 60 oF (520 oR) e 14.696 psia (15.6oC, 1 atm)
Nel caso ci si riferisca invece alle “condizioni standard”, per esempio nel caso dei contatori del metano, in Italia si parla di 15 °C ed 1 atmosfera. Naturalmente, negli USA è il contrario, e la chiamano NTP ( Normal Temperature and Pressure), e corrisponde all’aria a 20oC (293.15 K, 68oF) ed 1 atm ( 101.325 kN/m2, 101.325 kPa, 14.7 psia, 0 psig, 29.92 in Hg, 760 torr). Density 1.204 kg/m3 (0.075 pounds per cubic foot)
Nota: il piede cubico, o “cubic foot” corrisponde ad una capacità di 28,349 523 litri
In italiano, potreste pensare di abbreviare la “temperature e pressione standard” in TPS… ma non fatelo. Infatti, la denominazione TPS viene usata nel campo dei componenti pneumatici, dei compressori e dei flussometri, dove viene chiamata anche "volumi di gas standard per unità di tempo" riferendosi a 25 °C anziché 0 °C. La confusione non finisce qui, perché gli americani sono abituati ad abbreviare anche le abbreviazioni…
…infatti, nel campo del condizionamento, loro usano la SATP (Standard Ambient Temperature and Pressare) indicando le condizioni a temperatura di 25 °C (298.15 K) e pressione di 101 kPa, solo che “fra amici” essa viene chiamata anche TPS o STP… generando una gran confusione con la “nostra” denominazione di TPS o STP…
Ovviamente, gli aviatori usano un altro standard, la ISA (International Standard Atmosphere), definita nel 1976 dall’ICAO come un modello ideale dell'atmosfera media reale, considerata ad una latitudine di 45°:
nullo da 11000 a 20000 m di altitudine;
irregolare oltre i 20000 m di altitudine.
Sulla base di questo, vengono stilate delle tabelle contenenti le caratteristiche dell'aria standard a diverse altezze, vedi tabella pubblicata nella prima dispensa sull’atmosfera.
Insomma, ognuno usa quel che gli pare, riferendosi a condizioni diverse di temperatura (0 °C, 15 °C, 60 °F, 20 °C o 25 °C), di pressione (1 atmosfera cioè 101325 pascal, oppure 100kPa), e di umidità (da 0% a 65%)
C’è solo un sistema per cavarsela:
citare sempre a quale temperatura e pressione ci si riferisce, magari mettendo nella testata dei documenti un’annotazione che indichi al lettore che i “normal metri cubi” di cui si parlerà sono sempre riferiti ad una certa temperatura e pressione. Naturalmente, bisogna anche prestare attenzione a DOVE si prendono i dati, per sapere quale convenzione hanno seguito.
2.2 – Definizione dei nostri standard
Per i nostri calcoli, useremo sempre le convenzioni riferite a 0°C ed a 15°C, e cioè quelle che definiamo “condizioni normali” o “condizioni standard” in Italia per la chimica.
Di conseguenza, useremo:
Da notare che il prefisso “N” o “S” si scrivono in maiuscolo, per non creare confusione col prefisso “n” minuscolo, che significa “nano” (Es.: 1 nl = 1 nanolitro; 1 Nl = 1 Normal litro)
Dal momento che l’aria si dilata in ragione della temperatura, in 1 Nm3 c'è una quantità di gas maggiore che in 1 Sm3: il rapporto tra le due quantità è 1,056.
C'è da osservare che le definizioni sono ingannevoli in quanto parlano di volumi che appaiono diversi, mentre in realtà si tratta di quantità diverse nello stesso volume, quindi di densità diverse. E' pertanto errato scrivere che 1Nm3=1,056Sm3 in quanto il coefficiente diverso da 1 lega le masse volumiche (o densità), non i volumi che sono identici, entrambi di 1 m3 .
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Fonte: http://cercaenergia.forumcommunity.net/?act=Attach&type=post&id=262330930
Sito web da visitare: http://cercaenergia.forumcommunity.net
Autore del testo: non indicato nel documento di origine
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"Ciò che sappiamo è una goccia, ciò che ignoriamo un oceano!" Isaac Newton. Essendo impossibile tenere a mente l'enorme quantità di informazioni, l'importante è sapere dove ritrovare l'informazione quando questa serve. U. Eco
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