Il diagramma psicrometrico

Uno strumento per lo studio delle proprietà e delle trasformazioni dell’aria umida

Il diagramma psicrometrico permette di conoscere nel dettaglio le caratteristiche dell’aria e di comprendere come esse variano quando quest’ultima subisce le trasformazioni tipiche del riscaldamento e del raffrescamento. L’aria ha una sua complessità, è formata da vari gas, può essere ricca di alcuni componenti positivi oppure di altre sostanze dannose. Può contenere umidità in misura più o meno grande, può contenere particelle solide indesiderate (inquinanti) ed è caratterizzata da molte grandezze fisiche che ne descrivono il suo stato. Tali grandezze sono numerose e sono anche correlate le une alle altre tanto che per poterle trattare e controllare in maniera adeguata è necessario avere a disposizione strumenti di calcolo opportuni e non banali. Tanto per intenderci, cosa succede ad una certa massa d’aria quando viene trattata da una centrale di trattamento oppure quando attraversa la batteria di un condizionatore? Come cambiano le sue caratteristiche? Cosa succede se miscelo due quantità d’aria che hanno caratteristiche diverse, quali sono le caratteristiche della massa d’aria risultante? In questo scenario complesso ci viene in aiuto il diagramma psicrometrico.

Grandezze caratteristiche dell’aria

Per poter progettare, dimensionare e poi gestire adeguatamente un impianto di ventilazione, di termoventilazione oppure un impianto di condizionamento dell’aria è necessario ragionare ed intervenire sulle grandezze termodinamiche che ne caratterizzano il suo stato fisico. Ad esempio, qualsiasi impianto di condizionamento deve essere in grado di permettere di raggiungere e poi mantenere nel tempo ben specifiche condizioni di qualità e di movimento dell’aria che, nel caso degli impianti civili, permettono agli occupanti di un certo ambiente di godere di un comfort fisico, mentre negli impianti industriali permettono di eseguire determinate lavorazioni oppure di conservare specifici prodotti. Sicuramente tra le principali grandezze caratterizzanti l’aria vi è la temperatura, anzi le temperature: quella a bulbo secco e quella a bulbo umido[FT1] . Attraverso la loro conoscenza è possibile determinare il grado di umidità relativa dell’aria e quindi poter apprezzare a che “distanza” ci troviamo dalle condizioni di saturazione e della corrispondente temperatura di rugiada. Molto importante è il titolo, o anche detto umidità specifica (o umidità assoluta), dell’aria, che permette di conoscere quanto vapor d’acqua è contenuto in una massa unitaria di aria. Ha la sua significatività conoscere quale sia il volume specifico dell’aria, dato che una certa massa può cambiare il suo volume in funzione della temperatura, così come rilevanza assume anche l’entalpia [FT2] specifica dell’aria che, banalizzando ma in maniera piuttosto intuitiva, fornisce il contenuto calorico di una massa unitaria di aria.

Il diagramma psicrometrico

Il diagramma psicrometrico è un grafico (vedi figura 1) in grado di fare una sintesi delle grandezze che caratterizzano l’aria in qualunque condizione essa si trovi. Ogni punto del diagramma rappresenta un ben preciso stato dell’aria, ne descrive le sue proprietà: poiché il digramma è composto da un’infinità di punti esso riesce a darci informazioni riguardo un’infinità di condizioni termodinamiche in cui l’aria si può trovare. Esistono vari tipi di diagrammi psicrometrici. Uno dei più utilizzati è quello di Carrier, che riporta sull’asse orizzontale la temperatura a bulbo secco dell’aria, espressa in °C (linea azzurra di figura 1) e su quello verticale l’umidità specifica, espressa in grammi di umidità ogni chilogrammo di aria secca, (linea rossa di figura 1). Tutti i punti che formano una retta quasi verticale (come in figura 2) rappresentano le molteplici condizioni possibili in cui si può trovare l’aria ad una medesima temperatura a bulbo secco (ad esempio 30°C nella figura). Tutti i punti che formano una retta orizzontale (come in figura 3) rappresentano le molteplici condizioni possibili in cui si può trovare l’aria per una medesima umidità specifica (ad esempio 10 g/kg nella figura).

Queste non sono le uniche curve presenti nel diagramma. Ad esempio quelle evidenziate in figura 4 sono le curve ad umidità relativa costante: ciascuna curva è formata dai punti che rappresentano una condizione dell’aria caratterizzata dalla stessa umidità relativa. La curva disegnata in blu rappresenta la condizione dell’aria quando è satura di umidità, ossia la sua umidità relativa è del 100%. Su tale curva è possibile anche leggere la temperatura a bulbo umido dell’aria i cui valori sono evidenziati dalle frecce nella figura 5. I valori non indicati nel diagramma sono opportunamente ricavabili: nella figura i puntini rossi indicano le temperature a bulbo umido rispettivamente di 26-27-28 e 29°C la cui lettura si può eseguire sull’asse orizzontale delle temperature tracciando le opportune linee come in figura.

Nella figura 6 sono evidenziate alcune delle rette che rappresentano le trasformazioni isoentalpiche dell’aria. Tutti i punti che costituiscono una medesima retta indicano condizioni dell’aria secca a uguale entalpia. La prima di tali rette, quella evidenziata più in basso, rappresenta tutti gli stati dell’aria in cui l’entalpia vale 34,1 kJ/kg. Infine, nella figura 7 possiamo apprezzare le rette che rappresentano condizioni dell’aria a volume specifico costante: la prima, in alto a destra, di tali rette indica un volume specifico di 0,90 m3/kg.

Alcuni esempi

Per individuare in maniera univoca ogni punto del diagramma è necessario conoscere almeno due proprietà tra quelle che si sono appena elencate: questo significa che, una volta note due grandezze dell’aria è possibile conoscere tutte le altre grandezze che caratterizzano l’aria in quello stato termodinamico. Ad esempio, per individuare in maniera univoca sul diagramma il punto A riportato nella figura 8 è sufficiente conoscere la sua temperatura a bulbo secco (30°C) e la sua umidità relativa (40%) oppure la sua umidità specifica (10,6 g/kg) e la sua entalpia specifica (57,5 kJ/kg) oppure la sua temperatura a bubo secco (30°C) e la sua entalpia specifica (57,5 kJ/kg). Qualunque sia la coppia di valori noti, una volta individuata la posizione del punto sul diagramma (punto A, come s’è detto) è possibile procedere alla lettura di tutte le altre grandezze che caratterizzano la condizione dell’aria e quindi conoscerne in dettaglio le sue proprietà senza dover eseguire ulteriori misurazioni. Ad esempio, se si è misurata la temperatura a bulbo secco (30°C) e la sua umidità specifica (10,6 g/kg) è possibile individuare il punto A nel diagramma e, in seguito, eseguire le letture desiderate: umidità relativa (40%), entalpia specifica (57,5 kJ/kg), volume specifico (per interpolazione tra le due rette con indicato il valore 0,85 e 0,90 m3/kg: circa 0,873 m3/kg), temperatura a bulbo umido: 20 °C (seguendo dal punto A la retta a entalpia costante), temperatura di rugiada: 15 °C (seguendo dal punto A la retta orizzontale fino al punto in cui incontra la curva di saturazione del 100% di umidità relativa).

Ora, noto il punto A, se l’aria viene riscaldata fino a 39°C si può rappresentare lo stato dell’aria finale mediante il punto B, mentre se viene raffreddata fino a 21°C si può rappresentare lo stato finale dell’aria mediante il punto C. In queste due trasformazioni il contenuto di umidità dell’aria non varia (rimane a 10,6 g/kg) mentre l’umidità relativa dell’aria nel primo caso diminuisce a circa il 24% (il valore si ricava per interpolazione) mentre nel secondo aumenta fino a quasi il 70%. Anche per gli stati dell’aria rappresentati dai punti B e C è possibile procedere alle letture di tutte le grandezze che interessano. Un terzo e ultimo esempio porta l’aria dalla condizione A alla condizione D: si tratta di un processo di umidificazione dell’aria a temperatura costante. Infatti la temperatura a bulbo secco dell’aria rimane anche nel punto D a 30°C mentre l’umidità specifica aumenta a 16 g/kg. Anche l’umidità relativa aumenta fino al 60% così come l’entalpia specifica (71 kJ/kg). Quest’ultimo fatto ci conferma che la quantità di umidità presente nell’aria apporta un aumento del suo “contenuto calorico”: è questa la ragione per cui in presenza di aria molto umida il corpo umano percepisce temperature maggiori di quelle che realmente caratterizzano la condizione dell’aria. Attraverso questi semplici esempi dovrebbe essere chiara la definizione data del diagramma psicrometrico: un potente strumento per lo studio delle caratteristiche e delle trasformazioni dell’aria umida.