Psychrometric Processes

When discussing psychrometric processes, it is crucial to understand the fundamental principles that govern the behavior of air-water vapor mixtures. Psychrometrics involves the study of the thermodynamic properties of moist air, which are essential for various applications such as HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) systems, meteorology, and industrial processes.

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Grafico psicrometrico

Key Concepts in Psychrometrics

1. Dry Bulb Temperature (DBT): This is the temperature of air measured by a standard thermometer. It does not account for moisture content and is a primary indicator of thermal conditions.

2. Wet Bulb Temperature (WBT): This measurement is taken using a thermometer covered with a water-soaked cloth over which air flows. It reflects the cooling effect of evaporation and is always lower than or equal to the DBT.

3. Relative Humidity (RH): This is the ratio of the current absolute humidity to the highest possible absolute humidity (which depends on the current air temperature). Expressed as a percentage, RH indicates how saturated the air is with moisture.

4. Dew Point Temperature: The temperature at which air becomes fully saturated with moisture and water begins to condense. This is critical for predicting weather phenomena and managing indoor air quality.

Grafico psicrometrico

A view of psychrometric chart is shown before. It shows the relationship between dry-bulb temperature (the temperature measured by a regular thermometer), wet-bulb temperature (the temperature measured by a thermometer with a wetted bulb), relative humidity (the amount of moisture in the air compared to the maximum amount it can hold at that temperature), and dew point temperature (the temperature at which the air becomes saturated and condensation begins).

The curved lines represent constant relative humidity, while the diagonal lines represent constant wet-bulb temperature.

The following equation represents the heat transfer in a thermodynamic process involving a fluid. Here, 𝑄𝐶​ is the heat added or removed, 𝑚𝑎ma​ is the mass flow rate of the fluid, ℎ1​ and ℎ2​ are the specific enthalpies at the initial and final states, respectively, and 𝐶𝑝,𝑚​ is the specific heat capacity at constant pressure. The term (𝑇2−𝑇1) denotes the temperature change of the fluid from the initial state 𝑇1​ to the final state 𝑇2​. This equation essentially states that the heat transfer 𝑄𝐶​ is proportional to the mass flow rate and the change in enthalpy or, equivalently, the product of the mass flow rate, specific heat capacity, and temperature change. This relationship is fundamental in thermodynamics for calculating the energy required to change the temperature of a fluid in various heating or cooling processes.

$$ Q_C=m_a\left(h_2-h_1\right)=m_a C p m\left(T_2-T_1\right) $$

The different psychrometric processes are shown in following. The chart illustrates the relationship between temperature (t) on the x-axis and humidity ratio (ω) on the y-axis. It is divided into different regions, each representing a specific psychrometric process. The eight main processes shown in the image are:

  1. Evaporative Cooling: This process involves cooling the air through the evaporation of water, which decreases the dry-bulb temperature and increases the humidity ratio.
  2. Raffreddamento sensibile: This process cools the air without changing its moisture content, resulting in a decrease in the dry-bulb temperature.
  3. Riscaldamento sensibile: This process heats the air without altering its moisture content, leading to an increase in the dry-bulb temperature.
  4. Heating + Humidity: This process involves heating the air while increasing its moisture content, resulting in an increase in both the dry-bulb temperature and the humidity ratio.
  5. Cooling + Dehumidification: This process cools the air while reducing its moisture content, leading to a decrease in both the dry-bulb temperature and the humidity ratio.
  6. Dehumidification: This process removes moisture from the air without changing its dry-bulb temperature.
  7. Humidification: This process adds moisture to the air without changing its dry-bulb temperature.
  8. Heating + Humidification: This process involves heating the air while reducing moisture, increasing the dry-bulb temperature and reducing the humidity ratio.
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Psychrometric Processes

Raffreddamento sensibile

Durante questo processo, il contenuto di umidità dell'aria rimane costante ma la sua temperatura diminuisce mentre passa sopra una serpentina di raffreddamento. Per mantenere costante il contenuto di umidità, la superficie della serpentina di raffreddamento dovrebbe essere asciutta e la sua temperatura superficiale dovrebbe essere maggiore della temperatura del punto di rugiada dell'aria. Se la serpentina di raffreddamento è efficace al 100%, la temperatura di uscita dell'aria sarà uguale alla temperatura della serpentina. Tuttavia, in pratica, la temperatura dell'aria in uscita sarà superiore alla temperatura della batteria di raffreddamento.Figura sottomostra il processo di raffreddamento sensibile 2–1 su un grafico psicrometrico. La velocità di dissipazione del calore durante questo processo è data da:

Processo di raffreddamento sensibile 2-1 sul grafico psicrometrico
Processo di riscaldamento sensibile 1-2 sul grafico psicrometrico
Processo di raffreddamento e deumidificazione

Riscaldamento sensibile

During Sensible Hating process, the moisture content of air remains constant and its temperature increases as it flows over a heating coil. The heat addition rate during this process is given by:

$$ Q_h=m_a\left(h_2-h_1\right)=m_a c_{p m}\left(T_2-T_1\right) $$

dovecpmè il calore specifico umido (≈1.0216kJ/kgaria secca) emunè la portata massica dell'aria secca (kg/s).

Raffreddamento e Deumidificazione

Quando l'aria umida viene raffreddata al di sotto del punto di rugiada portandola a contatto con una superficie fredda, parte del vapore acqueo nell'aria si condensa e lascia il flusso d'aria come liquido, di conseguenza, sia il rapporto tra temperatura che umidità dell'aria diminuisce come mostrato. Questo è il processo che subisce l'aria in un sistema di climatizzazione. Il percorso effettivo del processo dipende dal tipo di superficie fredda, dalla temperatura superficiale e dalle condizioni del flusso, ma per semplicità si presuppone che la linea del processo sia una linea retta, come mostrato in figuraFigura 8.11. Le velocità di trasferimento di calore e massa possono essere espresse in termini di condizioni iniziali e finali applicando le equazioni di conservazione della massa e di conservazione dell'energia come indicato di seguito:

By applying mass balance for the water: $$ m_a \cdot \omega_a=m_a \cdot \omega_2+m_w $$ By applying energy balance: $$ m_a \cdot h_a=Q_r+m_w \cdot h_w+m_a \cdot h_2 $$ From the above two equations, the load on the cooling coil, $Q_t$ is given by: $$ Q_r=m_a\left(h_1-h_2\right)-m_a\left(\omega_1-\omega_2\right) h_w $$

Il 2ndIl termine sulla destra dell'equazione di cui sopra è normalmente piccolo rispetto agli altri termini, quindi può essere trascurato. Quindi,

$$ Q_r=m_a\left(h_1-h_2\right) $$

Si può osservare che il processo di raffreddamento e deumidificazione coinvolge sia processi di trasferimento di calore latente che sensibile, quindi le velocità di trasferimento di calore totale, latente e sensibile (Qr,Ql, EQS) può essere scritto come:

$$ \mathrm{Q}_{\mathrm{r}}=\mathrm{Q}_1+\mathrm{Q}_{\mathrm{s}} $$ where $$Q_1=m_a\left(h_1-h_w\right)=m_a \cdot h_{f g}\left(\omega_1-\omega_w\right)$$ and $$Q_s=m_a\left(h_w-h_2\right)=m_a \cdot c_{p m}\left(T_1-T_2\right)$$

Fattore di calore sensibile (SHF)

È definita come il rapporto tra la velocità di trasferimento del calore sensibile e quella totale (Qt), cioè,

$$ \mathrm{SHF}=\mathrm{Q}_{\mathrm{s}} / \mathrm{Q}_{\mathrm{t}}=\mathrm{Q}_{\mathrm{s}} /\left(\mathrm{Q}_{\mathrm{s}}+\mathrm{Q}_{\mathrm{l}}\right) $$

Dall'equazione di cui sopra, possiamo osservare che un SHF di 1,0 corrisponde a nessun trasferimento di calore latente e un SHF di 0 corrisponde a nessun trasferimento di calore sensibile. Un SHF compreso tra 0,75 e 0,80 è abbastanza comune nei sistemi di condizionamento dell'aria in un normale clima secco. Un valore inferiore di SHF, diciamo 0,6, implica un elevato carico di calore latente come quello che si verifica in un clima umido.

La temperatura, Ts, è la temperatura superficiale effettiva della serpentina di raffreddamento ed è nota come temperatura del punto di rugiada dell'apparato (ADP). In una situazione ideale, quando tutta l'aria entra in perfetto contatto con la superficie della serpentina di raffreddamento, la temperatura di uscita dell'aria sarà uguale all'ADP della serpentina. Tuttavia, nel caso reale, la temperatura di uscita dell'aria sarà sempre maggiore della temperatura del punto di rugiada dell'apparato a causa dello sviluppo dello strato limite quando l'aria scorre sulla superficie della batteria di raffreddamento e anche a causa della variazione di temperatura lungo le alette, ecc. Quindi , possiamo definire afattore di bypass (BPF)in quanto si può facilmente notare che maggiore è il fattore di by-pass maggiore sarà la differenza tra la temperatura dell'aria in uscita e la temperatura della batteria di raffreddamento. Quando BPF è 1,0, tutta l'aria bypassa la batteria e non vi sarà alcun raffreddamento o deumidificazione.

$$ \mathrm{BPF}=\frac{T_c-T_s}{T_a-T_s} ; \mathrm{CF}(\text { Contact Factor })=1-\mathrm{BPF} $$

In cui siTctemperatura dell'aria in uscita,Tunè la temperatura dell'aria in entrata eTSè la temperatura della superficie della serpentina di raffreddamento.

Riscaldamento e umidificazione

Durante l'inverno è essenziale riscaldare e umidificare l'aria della stanza per ottenere comfort. Ciò avviene normalmente riscaldando prima l'aria in modo sensibile e poi aggiungendo vapore acqueo al flusso d'aria attraverso gli ugelli del vapore.

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Processo di riscaldamento e umidificazione

Il bilancio di massa del vapore acqueo per il volume di controllo determina la velocità alla quale il vapore deve essere aggiunto, ovveromw:

$$ m_w=m_a\left(\omega_2-\omega_1\right) $$

dove munè la portata massica dell'aria secca. Dal bilancio energetico:

$$ Q_h=m_a\left(h_2-h_1\right)-m_w h_w $$

doveQhè il calore fornito attraverso la serpentina di riscaldamento ehwè l'entalpia del vapore. Poiché questo processo comporta anche un trasferimento simultaneo di calore e massa, possiamo definire un fattore di calore sensibile per il processo in modo simile a quello di un processo di raffreddamento e deumidificazione.

Raffreddamento e umidificazione

Come suggerisce il nome, durante questo processo la temperatura dell'aria diminuisce e la sua umidità aumenta. Ciò può essere ottenuto spruzzando acqua fredda nel flusso d'aria. La temperatura dell'acqua dovrebbe essere inferiore alla temperatura a bulbo secco dell'aria ma superiore alla temperatura del punto di rugiada per evitare la condensa (TDPT<T2<T1).

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Processo di raffreddamento e umidificazione

Durante questo processo, vi è un trasferimento di calore sensibile dall'aria all'acqua e un trasferimento di calore latente dall'acqua all'aria. Pertanto, il trasferimento di calore totale dipende dalla temperatura dell'acqua. Se la temperatura dell'acqua spruzzata è uguale alla temperatura del bulbo umido dell'aria, la velocità di trasferimento netto sarà pari a zero poiché il trasferimento di calore sensibile dall'aria all'acqua sarà uguale al trasferimento di calore latente dall'acqua all'aria. Se la temperatura dell'acqua è maggiore del WBT, si verificherà un trasferimento netto di calore dall'acqua all'aria. Se la temperatura dell'acqua è inferiore al WBT, il trasferimento di calore netto avverrà dall'aria all'acqua. In un caso speciale in cui l'acqua di spruzzo viene interamente ricircolata e non viene né riscaldata né raffreddata, il sistema è perfettamente isolato e l'acqua di reintegro viene fornita a WBT, quindi a regime l'aria subisce un processo di saturazione adiabatica, durante il quale il suo WBT rimanecostante. Questo è il processo di saturazione adiabatica. Il processo di raffreddamento e umidificazione si riscontra in un'ampia varietà di dispositivi come raffreddatori evaporativi, torri di raffreddamento, ecc.

Riscaldamento e Deumidificazione

Questo processo può essere ottenuto utilizzando un materiale igroscopico, che assorbe o assorbe il vapore acqueo dall'umidità. Se questo processo è isolato termicamente, l'entalpia dell'aria rimane costante, di conseguenza la temperatura dell'aria aumenta al diminuire del suo contenuto di umidità. Questo materiale igroscopico può essere solido o liquido. In generale, l'assorbimento dell'acqua da parte del materiale igroscopico è una reazione esotermica, di conseguenza durante questo processo viene rilasciato calore che viene ceduto all'aria e l'entalpia dell'aria aumenta.

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Processo di deumidificazione del riscaldamento

FREQUENTLY ASKED QUESTIONS

What is the difference between sensible heat and latent heat in psychrometric processes?
Sensible heat refers to the heat energy that is transferred between systems due to a temperature difference, resulting in a change in temperature. Latent heat, on the other hand, is the energy required to change the state of a substance (e.g., from liquid to vapor or vice versa) without a change in temperature. In psychrometric processes, both sensible and latent heat play important roles in determining the conditions of air and its interaction with the environment. Understanding the distinction between these two types of heat is crucial for designing and optimizing HVAC systems.
How does the sensible heat factor (SHF) affect the performance of an HVAC system?

The sensible heat factor (SHF) is a critical parameter in psychrometric processes that determines the proportion of total heat that is sensible heat. A higher SHF indicates that a larger portion of the total heat is sensible heat, which can affect the performance of an HVAC system. For example, a system with a high SHF may require more cooling capacity to maintain a comfortable indoor temperature, while a system with a low SHF may require more dehumidification capacity to control humidity levels. Accurate calculation of SHF is essential for designing and optimizing HVAC systems.

What is the significance of the psychrometric chart in understanding psychrometric processes?

The psychrometric chart is a graphical representation of the relationships between various psychrometric properties, such as temperature, humidity, and enthalpy. It provides a visual tool for understanding the complex interactions between these properties and enables engineers to analyze and design HVAC systems more effectively. By using the psychrometric chart, engineers can determine the state of air, calculate heat transfer rates, and optimize system performance. The chart is an essential tool in the field of HVAC engineering and is widely used in design, analysis, and optimization of HVAC systems.

How do psychrometric processes affect indoor air quality (IAQ) in buildings?

Psychrometric processes play a crucial role in maintaining good indoor air quality (IAQ) in buildings. The temperature, humidity, and air movement patterns in a building can significantly impact IAQ by influencing the growth and spread of pollutants, such as mold and bacteria. For example, high humidity levels can lead to mold growth, while poor air circulation can cause the buildup of pollutants. By controlling psychrometric processes, HVAC systems can help maintain good IAQ by providing a comfortable and healthy indoor environment.

What are some common applications of psychrometric processes in HVAC systems?

Psychrometric processes have numerous applications in HVAC systems, including air conditioning, heating, ventilation, and humidification. They are used in various industries, such as commercial buildings, hospitals, laboratories, and industrial processes. For example, psychrometric processes are used in air conditioning systems to cool and dehumidify air, while in heating systems, they are used to warm and humidify air. In ventilation systems, psychrometric processes are used to control the airflow and temperature of the air. Understanding psychrometric processes is essential for designing and optimizing HVAC systems for various applications.

How do psychrometric processes interact with other building systems, such as lighting and plumbing?

Psychrometric processes interact with other building systems, such as lighting and plumbing, in complex ways. For example, lighting systems can generate heat, which affects the psychrometric conditions of the air. Similarly, plumbing systems can introduce moisture into the air, which affects the humidity levels. Understanding these interactions is crucial for designing and optimizing building systems that work together efficiently and effectively. By considering the interactions between psychrometric processes and other building systems, engineers can create more sustainable, comfortable, and healthy indoor environments.

What are some common challenges and limitations of psychrometric processes in HVAC systems?

Psychrometric processes in HVAC systems can be challenging to design and optimize due to various factors, such as non-linear relationships between psychrometric properties, complex air flow patterns, and uncertainty in system parameters. Additionally, psychrometric processes can be limited by factors such as equipment capacity, energy efficiency, and maintenance requirements. Understanding these challenges and limitations is essential for designing and optimizing HVAC systems that meet the required performance, efficiency, and sustainability standards.

How can psychrometric processes be optimized for energy efficiency and sustainability in HVAC systems?

Psychrometric processes can be optimized for energy efficiency and sustainability in HVAC systems by using various strategies, such as optimizing system design, selecting energy-efficient equipment, and implementing control strategies that minimize energy consumption. Additionally, using renewable energy sources, such as solar power, and incorporating energy recovery systems can further improve the sustainability of HVAC systems. By optimizing psychrometric processes, engineers can create more energy-efficient and sustainable HVAC systems that reduce energy consumption and environmental impact.