Comprendere l'umidità, parte 1: i concetti fondamentali che ogni ingegnere dovrebbe conoscere

A livello teorico, il concetto di umidità è semplice, dopotutto, si tratta di misurare il vapore acqueo presente nell'aria. Non tutti, però, conoscono le relazioni tra i diversi parametri dell'umidità, né le variazioni dell'umidità correlate alla temperatura e alla pressione. Questo articolo intende chiarire i principali parametri dell'umidità e spiegarne l'importanza nei diversi contesti industriali.

Perché è importante conoscere l'umidità?

La maggior parte degli ingegneri è in grado di misurare l'umidità, ma non tutti conoscono la correlazione tra i diversi parametri né come variano in base a temperatura e pressione. Commettere un errore, anche se minimo, può avere conseguenze significative sui processi, ad esempio incidere sulla qualità dei prodotti, comportare sprechi energetici o causare non conformità.

Le conseguenze di una misurazione imprecisa dell'umidità variano in base all'applicazione. Ecco alcuni esempi di applicazioni e dei problemi potenzialmente causati da una misurazione imprecisa:

• Automazione di edifici e impianti di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria: meno comfort, qualità dell'aria interna inferiore, efficienza energetica ridotta
• Camere bianche (settore farmaceutico, biotecnologico, dei semiconduttori): non conformità alle normative, rischi per la sicurezza dei prodotti
• Produzione di semiconduttori: resa produttiva ridotta
• Produzione di batterie e dry room: rischi per la sicurezza, prestazioni insufficienti, resa produttiva ridotta
• Alimenti e bevande: scarsa omogeneità dei prodotti, contaminazione
• Sistemi ad aria compressa: condensa e corrosione

I principali concetti dell'umidità che ogni ingegnere dovrebbe conoscere

Che si tratti di un'essiccazione eccessiva con aumento del consumo energetico o della sottostima dei rischi di condensa con deterioramento dei prodotti, indipendentemente dal settore, l'interpretazione errata dei livelli di umidità porta a prendere decisioni di controllo inefficaci. Come è possibile misurare l'umidità in modo accurato? Ecco cosa è necessario sapere.

Umidità relativa (RH) 
L'umidità relativa è l'unità di misura dell'umidità più comunemente utilizzata, ma è spesso fraintesa. Dipende dalla temperatura: il termine "relativa" si riferisce alla differenza tra la quantità di vapore acqueo presente e la quantità massima che l'aria può trattenere alla temperatura indicata. L'umidità relativa viene espressa come valore percentuale: la pressione del vapore acqueo parziale rispetto alla pressione di saturazione.

p_w = pressione del vapore acqueo parziale 
p_ws = pressione di saturazione del vapore acqueo

Quando l'umidità relativa raggiunge il 100%, l'aria contiene la massima quantità possibile di acqua; se se ne introduce di più, una quantità uguale di acqua deve trasformarsi in acqua liquida o ghiaccio tramite condensa. Se nell'aria non è presente vapore acqueo, l'umidità relativa è 0% indipendentemente dalla temperatura. Poiché la pressione di saturazione dipende dalla temperatura, all'aumento della temperatura corrisponde un aumento della pressione di saturazione. Ciò significa che, anche se il contenuto di umidità rimane invariato, l'umidità relativa diminuisce con l'aumento della temperatura.

• L'umidità relativa nel mondo reale: la temperatura esterna è -14 °C e l'umidità relativa è pari al 60%. Quando l'aria entra in un edificio viene riscaldata +21 °C, ma la quantità di acqua rimane costante: negli impianti di ventilazione standard non si aggiunge né si elimina umidità. A causa del riscaldamento, la pressione di saturazione del vapore acqueo aumenta, così come la quantità massima possibile di vapore acqueo nell'aria. Poiché la pressione parziale del vapore acqueo rimane invariata, l'umidità relativa scende al 5%, un valore considerato generalmente troppo secco per assicurare il comfort.
• Perché può essere un errore basarsi esclusivamente sull'umidità relativa: poiché l'umidità relativa dipende dalla temperatura, anche variazioni di temperatura minime possono causare oscillazioni significative dell'umidità relativa senza effetti significativi sul contenuto di umidità. Questo perché l'umidità relativa indica la prossimità dell'aria alla saturazione alla temperatura corrente, non quanta acqua è realmente presente. Per questo motivo, l'umidità relativa può essere fuorviante se utilizzata da sola. In ambienti molto secchi e pressurizzati, come i sistemi ad aria compressa, l'umidità relativa è praticamente inutile perché tutti i valori rilevanti sono estremamente bassi (spesso inferiori all'1% di umidità relativa), offrendo così scarsa risoluzione e nessuna differenziazione significativa nella qualità dell'aria compressa.

Punto di rugiada (Td) e punto di congelamento (Tf)
La temperatura del punto di rugiada è il secondo parametro di umidità più comunemente utilizzato. In breve, si tratta della temperatura alla quale l'aria deve essere raffreddata affinché si saturi con vapore acqueo. A questo punto, l'eventuale aggiunta di acqua causerà la formazione di condensa. A differenza dell'umidità relativa, la temperatura del punto di rugiada non dipende dalla temperatura ambiente. È correlata alla quantità di acqua presente nell'aria ed è sempre inferiore o uguale alla temperatura effettiva.

Quando la temperatura del punto di rugiada è inferiore a 0 °C, per maggiore precisione si parla di punto di congelamento (Tf) perché l'umidità si deposita come ghiaccio e non come acqua liquida. In pratica, i termini sono spesso usati in modo intercambiabile e gli strumenti riferiscono in genere un valore combinato "punto di rugiada/punto di congelamento" (Td/f).

La temperatura del punto di rugiada è influenzato dalla pressione, all'aumento di quest'ultima aumenta la temperatura del punto di rugiada. In condizioni atmosferiche normali, la temperatura del punto di rugiada non può superare 100 °C perché a questa temperatura l'aria sarebbe interamente composta da vapore acqueo. Per aumentare la quantità di acqua oltre questo valore, la densità del vapore e quindi la pressione devono aumentare. In applicazioni speciali, ad esempio i processi dei semiconduttori, in cui si utilizza il vuoto per migliorare l'essiccazione dei materiali, il punto di rugiada può scendere fino a -80 °C, valore che corrisponde a circa 1 ppm di vapore acqueo.

La pressione di saturazione del vapore acqueo a temperature diverse è una variabile nota, pertanto è possibile calcolare il punto di rugiada dall'umidità relativa e dalla temperatura. Al contrario, se il punto di rugiada e la temperatura o l'umidità relativa sono valori noti, è possibile calcolare la variabile mancante. Il punto di rugiada è il parametro di misura più affidabile a livelli di umidità bassi. Le incertezze nella misurazione si propagano nei parametri di umidità calcolati. A livelli di umidità molto bassi, quindi, è spesso più preciso misurare direttamente il punto di rugiada, poiché il calcolo di questo valore a partire dall'umidità relativa e dalla temperatura può essere notevolmente meno preciso.

Punto di rugiada nel mondo reale: in una camera bianca, l'obiettivo di controllo è 40% (±2) RH  a una temperatura di 20 (±1) °C. Poiché l'umidità relativa dipende dalla temperatura, non è il parametro di controllo migliore: sarebbe praticamente impossibile essiccare o umidificare l'ambiente cercando di mantenere una temperatura stabile. La soluzione è usare invece la temperatura del punto di rugiada come parametro di controllo. A 40 %RH e 20 °C il punto di rugiada è 6,0 °C. Un intervallo di controllo limitato del punto di rugiada può agevolare il controllo dell'ambiente e contribuire al risparmio energetico.

• Perché è meglio affidarsi al punto di rugiada/congelamento rispetto all'umidità relativa nelle situazioni più complesse: in ambienti molto secchi e pressurizzati, come i sistemi ad aria compressa, l'umidità relativa è un parametro praticamente inutile: tutti i valori sono inferiori a 1 %RH, offrendo una risoluzione scarsa e nessuna differenziazione significativa. Il parametro Td/f fornisce una misura operativa e standardizzata del contenuto di umidità e indica direttamente la temperatura alla quale si forma condensa (o ghiaccio) alla pressione di sistema. Si tratta di un valore fondamentale per evitare problemi, quali congelamento nelle linee di pressione, colpi d'ariete, guasti delle guarnizioni e deterioramento del lubrificante. Il valore Td/f è anche la metrica di riferimento negli standard dell'aria compressa, garantendo la conformità.

Umidità assoluta (a)
L'umidità assoluta indica quanti grammi di vapore acqueo sono presenti in un metro cubo d'aria. Poiché fornisce una misura affidabile della quantità di acqua presente, l'umidità assoluta è un parametro ampiamente utilizzato, soprattutto nelle applicazioni di essiccazione o controllo dei processi, dove l'effettiva massa d'acqua è più importante della percentuale di saturazione.

La densità dell'aria varia in funzione della pressione, quindi l'umidità assoluta dipende in modo significativo dalla pressione del gas. Nei processi pressurizzati, è necessario conoscere la pressione per calcolare l'umidità assoluta dalle altre variabili dell'umidità.

Entalpia (h)
L'entalpia è il contenuto energetico totale dell'aria umida rispetto a uno stato di riferimento. Rappresenta la quantità di energia necessaria per riscaldare l'aria secca alla temperatura corrente da 
0 °C. Sebbene l'entalpia non sia una misura strettamente legata all'umidità, il vapore acqueo ha una capacità termica specifica molto elevata e può essere presente nell'aria in concentrazioni molto diverse, esercitando così una forte influenza sull'entalpia.

L'entalpia è più comunemente utilizzata quando si confronta il contenuto di calore dei gas negli impianti di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria. È importante ricordare che quando si esprime il valore di entalpia in unità imperiali il punto di riferimento sarà diverso. Pertanto, i valori di entalpia calcolati in unità diverse non sono confrontabili.

Rapporto di mescolanza (x)
Il rapporto di mescolanza definisce la massa di vapore acqueo nel volume occupato da un chilogrammo di gas secco. La densità dell'aria varia con la pressione, pertanto il rapporto di mescolanza dipende anche dalla pressione del gas. Nei processi pressurizzati, conoscere la pressione permette di calcolare il rapporto di mescolanza a partire da altre variabili di umidità.  

Il rapporto di mescolanza viene utilizzato principalmente per calcolare il contenuto d'acqua quando il flusso di massa dell'aria è noto, ad esempio nei sistemi di ventilazione.

Effetto della pressione
La legge di Dalton stabilisce che una variazione nella pressione totale di un gas deve avere un effetto sulle pressioni parziali di tutti i gas componenti, incluso il vapore acqueo. Ad esempio, se si raddoppia la pressione totale, si raddoppiano anche le pressioni parziali di tutti i gas componenti.

Nelle applicazioni ad aria compressa, l'aumento della pressione rimuove acqua dall'aria. Ciò avviene perché la pressione parziale del vapore acqueo (p_w) aumenta, mentre la pressione di saturazione rimane solo una funzione della temperatura. All'aumento della pressione in un serbatoio ricevitore e p_w raggiunge p_ws, l'acqua si condensa in forma liquida e deve essere scaricata dal serbatoio. Ignorare la pressione nei sistemi pressurizzati significa sottovalutare il rischio di condensa.

Comprendendo la relazione tra i diversi parametri di umidità e le relative variazioni in base a temperatura e pressione, è possibile evitare piccoli errori che possono avere un effetto considerevole sui processi, ad esempio compromettendo la qualità dei prodotti, comportando sprechi energetici o causando non conformità. Nella seconda parte di questa serie forniremo informazioni sul comportamento dell'umidità in condizioni reali e su come scegliere lo strumento di misura dell'umidità più adatto in base all'applicazione. Per ulteriori informazioni sull'umidità, visita il nostro sito Web.
 

Per approfondire la teoria della misura dell'umidità, Scarica la nostra guida completa alla misura dell’umidità per applicazioni industriali avanzate.