Autor: Departamentul Tehnic Mycond
Imaginați-vă situația: o zi toridă de vară, scoateți din frigider un pahar cu apă rece. După câteva minute, pe exteriorul paharului apar picături de apă. De unde au apărut? Răspunsul îl dă psihrometria — știința despre proprietățile și comportamentul aerului umed.
Ce este psihrometria și de ce este necesară
Psihrometria este știința despre proprietățile și comportamentul aerului umed. Mai simplu spus, este „manualul de utilizare” pentru aerul care conține vapori de apă. Pentru inginerii HVAC (încălzire, ventilație și climatizare), înțelegerea psihrometriei este la fel de importantă precum matematica pentru un contabil.
Cu ajutorul psihrometriei se rezolvă numeroase sarcini practice: câtă apă se condensează pe instalațiile frigorifice ale unui supermarket, care sunt temperatura și umiditatea cele mai confortabile pentru un birou, de ce iarna în apartament este atât de uscat aerul încât crapă buzele, cum prevenim apariția mucegaiului în baie, câtă energie este necesară pentru a usca aerul într-o unitate farmaceutică.
Șapte parametri cheie ai aerului umed
Pentru a descrie complet starea aerului, trebuie cunoscute câteva caracteristici. Să ne imaginăm 1 kilogram de aer într-o cutie invizibilă dintr-o cameră de locuit tipică: temperatura 21°C, umiditate relativă 50%. Să analizăm parametrii cheie ai unui astfel de aer:
1. Temperatura bulbului uscat (Dry Bulb Temperature)
Este temperatura obișnuită a aerului, pe care o măsurăm cu un termometru standard. Se notează t sau T, se măsoară în °C. Când spunem „în cameră sunt +21°C”, ne referim la temperatura bulbului uscat. Pe diagrama psihrometrică este reprezentată pe axa orizontală de jos, unde temperatura crește de la stânga la dreapta.
Semnificație practică: principalul parametru al confortului termic; omul se simte cel mai bine la 20–24°C iarna și 23–26°C vara.
2. Umiditatea relativă (Relative Humidity)
Este procentul din cantitatea maximă de apă pe care o poate conține aerul la o anumită temperatură. Particularitate importantă: denumirea „relativă” înseamnă că parametrul depinde de temperatură — sursa multor neînțelegeri. Se notează RH sau φ, unitatea de măsură — %.
Pentru înțelegere putem folosi exemplul cu un burete: la 21°C buretele poate reține maximum 100 de unități de apă (100% umiditate), dacă în el sunt acum 50 de unități — avem 50% RH. Dacă încălzim buretele la 30°C, va putea reține 200 de unități, dar apa rămâne 50, deci RH devine 50/200=25%.
Intervalul confortabil al umidității relative este 40–60%. Sub 30% aerul este prea uscat (apare uscăciunea pielii, electricitate statică), peste 70% — prea umed (favorizează mucegaiul, creează senzație de sufocare).
3. Raport de umiditate (Humidity Ratio, umiditate specifică)
Este cantitatea fizică reală de vapori de apă, exprimată în grame per kilogram de aer uscat. Se notează d, w sau x, se măsoară în g/kg. Spre deosebire de umiditatea relativă, raportul de umiditate nu depinde de temperatură — este o mărime absolută.
În exemplul nostru: la 21°C și RH 50%, raportul de umiditate este 7,8 g/kg. Asta înseamnă că în 1 kg de aer uscat se află 7,8 g de vapori de apă. Dacă încălzim acest aer la 30°C, raportul de umiditate rămâne 7,8 g/kg, dar RH scade la ~27%.
Aplicare practică: calculul cantității de apă care trebuie eliminată de un dezumidificator. Formula:
Cantitatea de apă (kg/h) = Debit de aer (kg/h) × Diferența raportului de umiditate (g/kg) / 1000
4. Temperatura punctului de rouă (Dew Point Temperature)
Este temperatura la care trebuie răcit aerul pentru a deveni saturat (100% RH) și pentru ca umiditatea să înceapă să se condenseze. Se notează Td, se măsoară în °C.
Exemplu din viața reală: un pahar cu apă rece — când temperatura suprafeței scade sub punctul de rouă al aerului din încăpere, vaporii se condensează pe pahar.
În exemplul nostru: aer 21°C, 50% RH, 7,8 g/kg are punct de rouă +10°C. Asta înseamnă: dacă există o suprafață cu temperatura de +10°C sau mai scăzută (de exemplu, o conductă rece), pe ea se va condensa umiditatea.
Formula simplificată pentru calculul punctului de rouă: Td ≈ T - ((100 - RH) / 5)
5. Presiunea vaporilor (Vapor Pressure)
Este presiunea parțială exercitată de moleculele vaporilor de apă. Se notează pv, se măsoară în Pa sau kPa. Fiecare moleculă de apă „împinge” mediul înconjurător; cu cât sunt mai multe molecule — cu atât presiunea vaporilor este mai mare.
În exemplul nostru: un raport de umiditate de 7,8 g/kg corespunde unei presiuni a vaporilor de 1240 Pa = 1,24 kPa.
Acest parametru este important pentru înțelegerea difuziei umidității prin materiale: umiditatea se deplasează din zona cu presiune a vaporilor mai mare către cea cu presiune mai mică (asemănător aerului care iese dintr-o anvelopă înțepată).
6. Entalpia (Enthalpy)
Entalpia este energia totală a aerului, care include căldura aerului propriu-zis (căldura sensibilă) și căldura consumată pentru evaporarea apei (căldura latentă). Se notează h sau i, se măsoară în kJ/kg.
Exemplul nostru: temperatura 21°C, raport de umiditate 7,8 g/kg, entalpie 41 kJ/kg, din care căldură sensibilă ~21 kJ/kg, căldură latentă ~20 kJ/kg.
Aplicare practică: calculul sarcinii pe aparatul de aer condiționat după formula:
Capacitate de răcire (kW) = Debit de aer (kg/s) × Diferență de entalpie (kJ/kg)
7. Temperatura bulbului umed (Wet Bulb Temperature)
Este temperatura indicată de un termometru învelit într-o pânză umedă prin care trece aer. Se notează Tw, se măsoară în °C.
Fizica procesului: apa din pânză se evaporă, preluând căldură, ceea ce răcește termometrul. Cu cât aerul este mai uscat — cu atât evaporarea este mai intensă — cu atât temperatura bulbului umed este mai mică.
În exemplul nostru: temperatura bulbului uscat 21°C, RH 50%, temperatura bulbului umed 15°C.
Aplicare practică: temperatura bulbului umed este temperatura minimă până la care se poate răci aerul prin evaporarea apei, fără răcire mecanică.
Diagrama psihrometrică — harta aerului umed
Toți cei șapte parametri ai aerului sunt interconectați. Diagrama psihrometrică (sau diagrama Mollier) este un instrument grafic care arată toate aceste legături simultan. Regula de bază de utilizare a diagramei: dacă cunoașteți oricare doi parametri, îi puteți determina pe toți ceilalți.
De exemplu, dacă se știe că T=21°C și RH=50%, găsim pe axa orizontală 21°C, trasăm o linie verticală în sus și căutăm intersecția cu linia de 50% RH. Acest punct ne oferă toți ceilalți parametri: d=7,8 g/kg, Td=10°C, h=41 kJ/kg, Tw=15°C.
Exemple practice pentru inginerii HVAC
Exemplul 1: Răcirea și dezumidificarea aerului cu aparatul de aer condiționat
Sarcină: aer exterior 32°C, 70% RH trebuie răcit la 18°C.
- Determinăm parametrii inițiali: T₁=32°C, RH₁=70%, din diagramă d₁=21 g/kg, h₁=85 kJ/kg, Td₁=26°C.
- Procesul de răcire: aerul trece prin evaporator cu temperatura suprafeței +8°C. La atingerea punctului de rouă (26°C) începe condensarea, apoi aerul se răcește pe linia de 100% RH.
- Calculul condensatului: umiditatea eliminată = d₁-d₂ = 21-6,5 = 14,5 g pentru fiecare kg de aer. La un debit de 1000 m³/h (≈1200 kg/h): condensat = 1200 × 14,5 / 1000 = 17,4 kg/h = 17,4 litri/h.
- Calculul energiei: capacitate de răcire = 1200/3600 kg/s × (85-22) kJ/kg = 21 kW ≈ 6 tone de răcire.
Exemplul 2: De ce iarna în apartamente este uscat aerul
Situație: afară sunt -5°C, 80% RH, acest aer intră în apartament prin ventilație și este încălzit la 21°C.
- Aerul exterior: T₁=-5°C, RH₁=80%, din diagramă d₁=2,2 g/kg, Td₁=-8°C.
- Încălzirea la temperatura camerei: la încălzire, raportul de umiditate nu se schimbă (d=const), T₂=21°C, d₂=2,2 g/kg, din diagramă RH₂=14% — foarte uscat!
Concluzie: nu umiditatea de afară este mică (acolo este 80% RH!), ci aerul rece conține fizic puțină apă. La încălzire, această cantitate mică se „dizolvă” într-un volum mai mare de aer cald, rezultând o umiditate relativă scăzută.
Exemplul 3: Uscarea aerului cu desicant
Sarcină: producția farmaceutică are nevoie de aer cu punct de rouă -10°C la temperatura de 21°C.
- Parametrii necesari: T=21°C, Td=-10°C, din diagramă d=1,6 g/kg, RH=15%.
- Aerul de aport vara: T₁=28°C, RH₁=65%, d₁=15,5 g/kg.
- Câtă umiditate se elimină: Δd = 15,5 - 1,6 = 13,9 g/kg. La un debit de 500 kg/h: de eliminat = 500 × 13,9 / 1000 = 6,95 kg/h de apă.
FAQ — întrebări frecvente
Ce este psihrometria pe înțelesul tuturor?
Psihrometria este știința despre proprietățile aerului umed, care ajută la înțelegerea comportamentului amestecului de aer și vapori de apă la diferite temperaturi și presiuni.
De ce umiditatea relativă nu arată cantitatea reală de apă din aer?
Umiditatea relativă arată doar procentul de saturație a aerului cu vapori la o anumită temperatură. Când temperatura se schimbă, se schimbă și cantitatea maximă de apă pe care o poate reține aerul, deci RH se modifică chiar dacă cantitatea reală de apă rămâne aceeași.
Cum determin rapid punctul de rouă fără diagramă?
Se poate folosi formula simplificată: Td ≈ T - ((100 - RH) / 5). De exemplu, la T=21°C și RH=50%, Td ≈ 21 - ((100-50)/5) = 21-10 = 11°C (valoarea exactă +10,2°C, eroare mai mică de 1°C).
De ce iarna în încăperi este uscat, chiar dacă afară umiditatea este mare?
Aerul rece poate reține fizic foarte puțină apă. Când este încălzit în interior, raportul său de umiditate rămâne neschimbat, dar „capacitatea” crește semnificativ, ceea ce duce la o umiditate relativă scăzută.
Care este diferența dintre căldura sensibilă și cea latentă?
Căldura sensibilă este energia necesară pentru a schimba temperatura aerului. Căldura latentă este energia consumată pentru evaporarea apei și nu schimbă temperatura.
Concluzii — de ce un inginer HVAC are nevoie de psihrometrie
Înțelegerea psihrometriei este esențială pentru un inginer HVAC din patru motive cheie:
- Proiectarea sistemelor: fără psihrometrie este imposibil de calculat capacitatea de răcire a aparatelor de aer condiționat, performanța dezumidificatoarelor, puterea umidificatoarelor și parametrii sistemelor de ventilație.
- Economia de energie: diagrama permite stabilirea strategiei optime de tratare a aerului, identificarea oportunităților de răcire/uscarea „gratuită”, evaluarea eficienței recuperatoarelor.
- Prevenirea problemelor: înțelegerea punctului de rouă previne condensul în sistemele de ventilație, înghețarea pereților, dezvoltarea mucegaiului, coroziunea echipamentelor.
- Controlul calității aerului: combinația corectă dintre temperatură și umiditate asigură confortul oamenilor, conservarea materialelor și echipamentelor, respectarea cerințelor tehnologice.
Regula principală: pentru a determina complet starea aerului trebuie cunoscuți minimum DOI parametri, toți ceilalți pot fi găsiți cu ajutorul diagramei. Cele mai utile combinații: T+RH — cel mai ușor de măsurat, T+Td — cel mai bun pentru controlul condensului, T+d — cel mai bun pentru calculul dezumidificării.
Psihrometria nu este o teorie abstractă, ci un instrument zilnic al inginerului care ajută la luarea deciziilor corecte, economisirea energiei și a banilor clienților, crearea unor condiții confortabile și sigure în încăperi.
