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  DISPENSE TECNICHE
 
  CASI DI APPLICAZIONE
 
  RAFFREDDAMENTO E UMIDIFICAZIONE
 
 
       
 
  1. Introduzione
  2. Dispositivi per il raffreddamento dell'aria
 
 
 
 
  1. Introducción
 
 
 

Se osserviamo la temperatura asciutta e umida dei termometri di uno Psicrometro, Fig. 2, vedremo che generalmente una di queste, quella del termometro umido, è inferiore alla temperatura ambiente che indica il termometro asciutto.

       
Fig. 1. Termometro a bulbo umido e termometro asciutto



Fig. 2. Confronto dei termometri


Questo fenomeno indica che, in teoria, se un corpo inzuppato d'acqua entra in contatto con l'aria, possiamo riuscire a ridurre la sua temperatura fino a quella indicata dal termometro umido. Questo processo è lo stesso che mantiene fresca la temperatura dell'acqua di una giara, e anche quello che viene utilizzato per raffreddare le stanze in alcuni paesi caldi mediante delle stuoie inumidite collocate sulle finestre su cui soffia il vento. In questo caso, al tempo stesso in cui diminuisce la temperatura dell'aria, aumenta anche l'umidità relativa della stessa.



Tabla 1. Differenze psicrometriche


Una spiegazione elementare di questo fenomeno sta nel fatto che, per fare evaporare l'acqua necessaria per saturare l'aria di umidità, è imprescindibile apportare il calore di evaporazione per riuscire a trasformarla in vapore acqueo, e questo calore lo può fornire solo l'aria stessa, per cui la sua temperatura cala. Una spiegazione più completa di questo processo è stata fornita nella Scheda Tecnica: L'Acqua. La psicrometria.

Per essere più concreti, e inoltre per presentare la soluzione di processi di raffreddamento e umidificazione, dobbiamo osservare la Fig. 4 in cui, nel diagramma psicrometrico, sono stati indicati due punti, A e B, che corrispondono a due stati determinati dell'aria:



Fig. 4. Diagramma psicrometrico

  • Il punto A rappresenta aria con una temperatura asciutta di 30 ºC e un'umidità relativa del 40%.
  • Il punto B rappresenta aria con una temperatura asciutta sempre di 30 ºC e un'umidità relativa del 60%.
Nel caso in cui si disponesse d'aria come quella definita dal punto A, se messa a stretto contatto con l'acqua, si raffredderà seguendo il processo indicato dalla linea A-A", per cui quando si raggiunge il punto A" la temperatura dell'aria sarà scesa a 20 ºC e la sua umidità relativa sarà del 100%. Così l'umidità assoluta aumenterà da 10,7 gr/Kg (punto A1) ) a 14,7 gr/Kg (punto A2). Vale a dire, ogni Kg d'aria al tempo stesso in cui cala la sua temperatura a 10 ºC assorbe 4 gr d'acqua.

Se l'aria considerata è quella definita dal punto B e, come nel caso precedente, se messa a stretto contatto con l'acqua, si raffredderà seguendo il processo indicato dalla linea BB'' facendo scendere la temperatura a 24 ºC e raggiungendo un umidità relativa sempre del 100%. L'umidità assoluta aumenterà da 16 gr/Kg (punto B1) a 18,4 gr/Kg (punto B2). Vale a dire, ogni Kg d'aria al tempo stesso in cui cala la sua temperatura a 6ºC assorbe 2,4 gr d'acqua.

Dai due esempi precedenti vediamo che la riduzione della temperatura si ottiene a scapito di un aumento dell'umidità dell'aria e che l'effetto di raffreddamento di questo tipo di processo e tanto più evidente quanto più è asciutto e il clima. Un'altra caratteristica da prendere in considerazione è che, a causa dell'aumento di umidità dell'aria, la capacità di dissipazione del calore del corpo umano, che si verifica soprattutto grazie alla traspirazione, diminuisce.
 
 
 
 
  2. Dispositivi per il raffreddamento dell'aria
 
 
 

L'efficacia di un sistema di raffreddamento per evaporazione dell'acqua dipende:

  • Dalla superficie di contatto tra l'aria e l'acqua.
  • Dalla velocità relativa tra l'aria e l'acqua durante il tempo di contatto.
  • Dal tempo durante il quale l'aria è in contatto con l'acqua.
  • Dalla differenza tra la temperatura umida dell'aria e la temperatura dell'acqua utilizzata per il processo.
I dispositivi ideati tendono a ottimizzare le precedenti condizioni e si ottengono dei rendimenti tra il 95% e il 60% della differenza tra la temperatura asciutta e umida dello psicrometro.

Oltre ai sistemi più o meno sofisticati progettati a tale scopo, il raffreddamento dell'aria si può realizzare tramite dispositivi semplici come quelli indicati nelle Figure 5 e 6. Il rendimento che ci si può aspettare da quello mostrato nella Fig. 6 è dell'ordine del 60% della differenza tra le temperature asciutta e umida.


Fig. 5. Sistema di Raffreddamento dell'aria



Fig. 6. Sistema di Raffreddamento dell'aria


I sistemi di raffreddamento d'aria per evaporazione possono essere classificati come diretti o indiretti. Nei primi esiste un contatto dell'aria e dell'acqua, facendo passare la corrente d'aria attraverso pannelli umidi, Fig. 6, oppure nebulizzando acqua all'interno del getto d'aria d'entrata, Fig. 5. I sistemi indiretti lavorano con uno scambiatore di calore, ma non ci occuperemo di questi dispositivi nella presente Scheda Tecnica.

Il grafico della Fig. 3 indica i cambiamenti termodinamici che si verificano tra l'aria e l'acqua in un sistema diretto. L'acqua che entra in ricircolo e umidifica i pannelli raggiunge una temperatura di equilibrio pari alla temperatura umida dell'aria di entrata. Il calore e la massa che trasferisce tra l'aria e l'acqua abbassa la temperatura asciutta dell'aria e aumenta l'umidità a una temperatura umida costante.

Il rendimento del sistema viene indicato dalla formula

 t1 - t2
R = 100 
 
 t1 - t'

  • t1 = Temp. asciutta dell'aria in entrata
  • t2 = Temp. asciutta dell'aria in uscita
  • t' = Temp. umida aria entrata
Per impianti di raffreddamento di grandi strutture quali serre agricole o allevamenti di animali in genere vengono collocati lungo tutto un laterale dello stesso, oppure del soffitto, dei pannelli porosi di fibra di cellulosa bagnati d'acqua nella parte alta su tutta la lunghezza. L'acqua in eccesso cade per gravità e viene raccolta da un canale sottostante per entrare in ricircolo. I ventilatori vengono collocati sulla parete opposta per estrarre aria dal locale lasciandolo in depressione, il che obbliga l'aria ad entrare dall'esterno attraverso dei pannelli umidi.

Nel mercato esistono dei dispositivi compatti che ospitano in una stessa scatola un ventilatore, un pannello umido e il dispositivo idraulico necessari per pompare l'acqua, condurla e bagnare il pannello. È quanto viene indicato dalla Fig. 7 in cui si vedono modelli da tavolo da 350 m³/h, si passa attraverso i modelli da finestra fino a 7.000 m³/h per concludere con quello di collegamento a tubature fino a 30.000 m³/h. La velocità dell'aria attraverso il pannello va da 0,5 a 1,5 m/s.




Fig. 7. Dispositivo evaporativo completo



Un altro modello è quello che si basa sulla spruzzatura per aspersione, Fig. 8, all'interno della scatola dove dei nebulizzatori spruzzano acqua contro il pannello evaporativo. È per grandi flussi che raggiungono i 60.000 m3/h con velocità dell'aria di 3 m/s.



Fig. 8. Dispositivo evaporativo con aspersori d'acqua


Infine esiste quello con pannello girevole, Fig. 9, che colloca il pannello a forma di tamburo rotante con una parte dello stesso sommersa in una vasca d'acqua da cui emerge inzuppato per presentare la sua massa alla corrente d'aria del ventilatore. Si fabbrica per flussi fino a 20.000 m³/h e velocità di 3 m/s.                      



Fig. 9. Dispositivo evaporativo con tamburo rotante

 
 
 
 
 
 
 
 
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