Nozioni di base sull'umidità, parte 1: concetti fondamentali che tutti i professionisti tecnici dovrebbero conoscere

Calcolatore di Umidità Vaisala

Vuokko Lantz, Product Manager Vaisala

Umidità sembra in teoria semplice – dopotutto è solo una misura del vapore acqueo nell'aria. Ma non tutti sono consapevoli delle relazioni tra i diversi parametri di umidità o di come questa cambi in funzione della temperatura e della pressione. Questo articolo vuole semplificare e spiegare i principali parametri di umidità, e perché sono importanti in diverse applicazioni industriali.

Perché è importante comprendere l'umidità?

La maggior parte dei professionisti tecnici può misurare l'umidità, ma non tutti sono consapevoli di come i diversi parametri di umidità siano collegati tra loro o di come cambino in funzione di temperatura e pressione. Se si verificano errori – a volte anche piccoli – ciò può avere conseguenze significative sui processi: scarsa qualità del prodotto, spreco di energia o non conformità alle normative.

Le conseguenze di misurazioni imprecise dell'umidità possono variare a seconda dell'applicazione. Ecco alcuni esempi di applicazioni e dei problemi potenziali causati da misurazioni imprecise:

– HVAC e automazione degli edifici: minor comfort, qualità dell'aria interna ridotta, minore efficienza energetica
– Ambienti sterili (industria farmaceutica, biotecnologia, produzione di semiconduttori): non conformità, rischi per la sicurezza del prodotto
– Produzione di semiconduttori: resa inferiore
– Produzione di batterie e ambienti asciutti: rischi per la sicurezza, prestazioni ridotte, resa inferiore
– Alimenti e bevande: scarsa consistenza del prodotto, contaminazioni
– Sistemi di aria compressa: condensa e corrosione

Concetti chiave sull'umidità che tutti i professionisti tecnici dovrebbero conoscere

Dall'eccessiva essiccazione e aumento dei costi energetici fino alla sottostima del rischio di condensazione e deterioramento del prodotto – indipendentemente dal settore – una cattiva interpretazione dell'umidità porta a decisioni di controllo sbagliate. Come si può misurare l'umidità con precisione? Ecco una panoramica semplice di ciò che bisogna sapere.

Umidità relativa (UR)

L'umidità relativa è l'unità di misura più comunemente usata, ma spesso fraintesa. L'umidità relativa dipende fortemente dalla temperatura – il termine "relativa" si riferisce al rapporto tra la quantità di vapore acqueo presente e la quantità massima che l'aria può contenere a quella temperatura. L'umidità relativa viene espressa in percentuale: la pressione parziale del vapore acqueo rispetto alla pressione di saturazione.

Quando l'umidità relativa raggiunge il 100%, si è raggiunta la quantità massima di acqua che l'aria può contenere – se si aggiunge altra acqua, questa deve condensarsi di nuovo in acqua liquida o ghiaccio. Se nell'aria non è presente vapore acqueo, l'umidità relativa è del 0% indipendentemente dalla temperatura. Poiché la pressione di saturazione dipende fortemente dalla temperatura, questa aumenta con l'aumentare della temperatura. Ciò significa che l'umidità relativa diminuisce con l'aumentare della temperatura, anche se il contenuto di umidità rimane costante.

– Umidità relativa nella pratica: la temperatura esterna è di −14 °C e l'umidità relativa è del 60%. Quando l'aria entra in un edificio e viene riscaldata a +21 °C, il contenuto di umidità rimane costante – nei sistemi di ventilazione standard, non viene aggiunto né rimosso acqua dall'aria. Riscaldando, aumenta la pressione di saturazione del vapore acqueo, e di conseguenza la quantità massima di acqua che l'aria può contenere aumenta. Poiché la pressione parziale del vapore rimane invariata, l'umidità relativa scende al 5%, considerata generalmente troppo secca per il comfort.
– Perché affidarsi esclusivamente all'umidità relativa può essere un errore: l'umidità relativa dipende fortemente dalla temperatura, quindi anche piccoli cambiamenti di temperatura possono portare a variazioni significative dei valori di UR, senza che il contenuto di umidità effettivo cambi. Questo perché l'umidità relativa indica quanto l'aria sia vicina alla saturazione alla temperatura attuale – e non quanto vapore acqueo sia presente realmente. Per questo motivo, l'umidità relativa può essere fuorviante se usata come parametro indipendente. In ambienti molto asciutti e sotto pressione, come i sistemi di aria compressa, l'umidità relativa è praticamente inutile, poiché tutti i valori sono estremamente bassi (spesso sotto l'1%). Ciò significa che fornisce una risoluzione scarsa e non permette di distinguere in modo significativo la qualità dell'aria compressa.

Punto di rugiada (Td) e punto di brina (Tf)

Il punto di rugiada è il secondo parametro di umidità più usato. In parole semplici, è la temperatura alla quale l'aria deve essere raffreddata per essere saturata di vapore acqueo. A questo punto, inizia anche la condensazione di acqua in eccesso. A differenza dell'umidità relativa, il punto di rugiada è indipendente dalla temperatura ambientale. Si collega alla quantità di acqua presente nell'aria ed è sempre inferiore o uguale alla temperatura effettiva.

Se il punto di rugiada scende sotto 0 °C, si parla più precisamente di punto di brina (Tf), poiché l'umidità si deposita come ghiaccio e non come acqua liquida. In pratica, i termini sono spesso usati come sinonimi, e gli strumenti forniscono tipicamente un valore combinato di "punto di rugiada/brina" (Td/f).

Il punto di rugiada è influenzato dalla pressione; un aumento della pressione aumenta il punto di rugiada. In condizioni atmosferiche normali, il punto di rugiada non può superare i 100 °C, poiché a questa temperatura l'aria sarebbe composta interamente da vapore acqueo. Per aumentare la quantità di acqua oltre questo limite, bisogna aumentare la densità del vapore e quindi la pressione. In applicazioni specializzate come i processi di semiconduttori, dove si utilizza il vuoto per migliorare l'essiccazione dei materiali, il punto di rugiada può essere anche di -80 °C, corrispondente a circa 1 ppm di vapore acqueo.

La pressione di saturazione del vapore acqueo a diverse temperature è una variabile nota, quindi il punto di rugiada può essere calcolato a partire dall'umidità relativa e dalla temperatura. Viceversa, si può calcolare la variabile mancante se si conoscono il punto di rugiada e una delle altre variabili (temperatura o umidità relativa). Il punto di rugiada è la misura più affidabile a basse umidità. Le incertezze di misura si riflettono sui parametri di umidità calcolati. In condizioni di umidità molto bassa, è spesso più preciso misurare direttamente il punto di rugiada, poiché quello calcolato dall'umidità relativa e dalla temperatura può essere molto meno accurato.

Curva di saturazione che mostra il punto di rugiada e il punto di brina a diverse temperature

Il punto di rugiada nella pratica: in una camera bianca, il valore di riferimento a 20 (±1) °C con umidità relativa del 40 (±2)% non è ideale come parametro di controllo – sarebbe praticamente impossibile asciugare o umidificare la stanza mantenendo costante la temperatura. La soluzione è usare invece il punto di rugiada come parametro di controllo. A 40% di UR e 20 °C, il punto di rugiada è di 6,0 °C. Un intervallo di controllo ristretto per il punto di rugiada rende più semplice la gestione ambientale e consuma meno energia.

– Perché il punto di rugiada/brina è superiore all'umidità relativa in applicazioni complesse: in ambienti molto asciutti e sotto pressione come i sistemi di aria compressa, l'umidità relativa è praticamente inutile – tutti i valori sono sotto l'1%, offrendo una risoluzione scarsa e nessuna possibilità di distinguere in modo significativo la qualità dell'aria. Td/f fornisce una misura standardizzata, praticabile e immediata del contenuto di umidità, indicando direttamente la temperatura alla quale si verifica condensazione (o formazione di ghiaccio) sotto pressione. Questo è fondamentale per prevenire problemi come il congelamento nelle tubazioni, il colpo d'acqua, il guasto delle guarnizioni e l'usura dei lubrificanti. Td/f è anche il parametro usato negli standard di aria compressa per garantire la conformità.

Umidità assoluta (a)

L'umidità assoluta indica quanti grammi di vapore acqueo sono presenti per metro cubo di aria. Poiché permette una misurazione affidabile della quantità di acqua presente, è un parametro comune, soprattutto in applicazioni di essiccazione o controllo di processo, dove la massa reale di acqua è più importante della percentuale di saturazione.

La densità dell'aria varia con la pressione, quindi l'umidità assoluta dipende fortemente dalla pressione del gas. Nei processi sotto pressione, è necessario conoscere la pressione per calcolare l'umidità assoluta a partire dagli altri parametri di umidità.

Entalpia (h)

L'entalpia è il contenuto energetico totale dell'aria umida rispetto a uno stato di riferimento. Rappresenta la quantità di energia richiesta per riscaldare l'aria secca da 0 °C alla temperatura attuale. Sebbene l'entalpia non sia una misura stretta di umidità, il vapore acqueo ha una capacità termica molto elevata. Può essere presente nell'aria in concentrazioni molto diverse, e quindi il vapore acqueo ha un forte impatto sull'entalpia.

L'entalpia viene usata più frequentemente quando si confrontano i contenuti di calore di gas in sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento (HVAC). È importante notare che, se l'entalpia viene espressa in unità imperiali, si utilizza un punto di riferimento diverso. Pertanto, i valori di entalpia calcolati in unità diverse non sono confrontabili.

Rapporto di miscelazione (x)

Il rapporto di miscelazione definisce la massa di vapore acqueo in un volume occupato da un chilogrammo di gas secco. La densità dell'aria varia con la pressione, quindi anche il rapporto di miscelazione dipende dalla pressione del gas. Nei processi sotto pressione, è necessario conoscere la pressione per calcolare il rapporto di miscelazione a partire dagli altri parametri di umidità.

Il rapporto di miscelazione viene principalmente usato per calcolare il contenuto di acqua quando si conosce il flusso di massa d'aria, ad esempio nei sistemi di ventilazione.

Effetto della pressione

Secondo la legge di Dalton, una variazione della pressione totale di un gas influirà sulle pressioni parziali di tutti i componenti, incluso il vapore acqueo. Ad esempio, raddoppiando la pressione totale, raddoppieranno anche le pressioni parziali di tutti i componenti.

Nei sistemi di aria compressa, aumentando la pressione si rimuove acqua dall'aria. Questo perché la pressione parziale del vapore acqueo (pw) aumenta, mentre la pressione di saturazione rimane legata alla temperatura. Se in un serbatoio si accumula pressione e pw raggiunge pws, l'acqua condensa in liquido e deve essere scaricata. Ignorare l'effetto della pressione nei sistemi di pressione può portare a sottostimare il rischio di condensazione.

Quando si comprende come i diversi parametri di umidità siano collegati tra loro e come cambino in funzione di temperatura e pressione, si possono evitare piccoli errori che altrimenti potrebbero avere gravi ripercussioni sui processi, come scarsa qualità del prodotto, spreco di energia o non conformità. Nel secondo parte di questa serie, si spiegherà come si comporta l'umidità in condizioni pratiche e come scegliere lo strumento di misura più adatto alla propria applicazione. Visitate anche il nostro sito per ulteriori informazioni sull'umidità.