Autore: reparto tecnico Mycond
Le camere climatiche di prova sono un elemento critico dei sistemi di controllo qualità in molti settori industriali. Questi dispositivi specializzati consentono di riprodurre un’ampia gamma di condizioni di temperatura e umidità per testare i prodotti. Tuttavia, garantire un controllo preciso dell’umidità in tali camere, soprattutto in presenza di rapidi cambi di regime termico, rappresenta una significativa sfida ingegneristica che richiede una profonda comprensione dei processi fisici e soluzioni tecniche specifiche.
Specificità delle camere climatiche di prova come oggetto di controllo dell'umidità
Le moderne camere di prova sono caratterizzate da un campo di lavoro estremamente ampio. L’intervallo tipico di temperatura può variare da -70°C a +180°C, mentre il campo di umidità relativa va dal 10% al 98%. Questi parametri dipendono dal tipo specifico di camera e dai requisiti degli standard di prova, come IEC, MIL-STD, ASTM o altre normative di settore.
I requisiti di accuratezza nel mantenimento dell’umidità sono piuttosto stringenti — di solito ±2-3% di umidità relativa. Allo stesso tempo, la velocità di variazione dei regimi spesso determina l’efficacia delle prove, poiché molti test richiedono rapidi passaggi tra condizioni diverse. Ad esempio, gli standard delle prove cicliche possono richiedere variazioni di temperatura di 20-30°C e di umidità relativa di 20-30% nell’arco di 15-30 minuti.
Un’altra peculiarità delle camere di prova è il loro volume interno relativamente ridotto, generalmente compreso tra 0,5 e 20 m³. Il piccolo volume incide sull’inerzia del sistema: da un lato consente di cambiare più rapidamente i parametri ambientali, dall’altro complica la regolazione precisa a causa del rischio di sovraregolazione e dell’insorgenza di oscillazioni.
Fisica del processo: relazione tra temperatura, umidità relativa e assoluta
Per comprendere i processi di deumidificazione nelle camere climatiche è fondamentale capire la relazione tra temperatura, umidità relativa e assoluta. L’umidità relativa (φ) è il rapporto tra la pressione parziale effettiva del vapore acqueo e la pressione di saturazione alla temperatura data:
$$varphi = frac{P_v}{P_{sat}} cdot 100%$$
Dove $P_v$ è la pressione parziale del vapore acqueo e $P_{sat}$ è la pressione di saturazione alla temperatura data.
Un punto chiave per comprendere il funzionamento delle camere climatiche è che, al variare della temperatura a contenuto assoluto di umidità costante, l’umidità relativa cambia. Ciò è dovuto alla dipendenza esponenziale della pressione di saturazione dalla temperatura, che può essere approssimata dall’equazione:
$$P_{sat} = 611 cdot e^{frac{17.27 cdot T}{T + 237.3}}$$
Dove $T$ è la temperatura in °C e $P_{sat}$ è misurata in Pa.
Riscaldando l’aria la pressione di saturazione aumenta e, poiché il contenuto assoluto di umidità (e, di conseguenza, $P_v$) rimane invariato, l’umidità relativa diminuisce. Viceversa, raffreddando l’aria l’umidità relativa aumenta.
Il punto di rugiada è la temperatura alla quale l’aria diventa satura di vapore acqueo (l’umidità relativa raggiunge il 100%). Quando l’aria viene raffreddata al di sotto del punto di rugiada, inizia la condensazione dell’umidità in eccesso. La variazione del punto di rugiada in presenza di salti di temperatura può essere tracciata nel diagramma psicrometrico h-d di Mollier, che è lo strumento principale per l’analisi dei processi di condizionamento dell’aria.
Limiti tecnici della deumidificazione a condensazione nelle camere climatiche
La deumidificazione a condensazione, basata sul raffreddamento dell’aria al di sotto del punto di rugiada con successiva rimozione del condensato e successivo riscaldamento, presenta limiti significativi per l’impiego nelle camere climatiche.
Innanzitutto, tali sistemi non possono operare in modo efficiente a temperature inferiori al punto di congelamento del condensato, cioè sotto 0°C fino a +3°C. A queste temperature il condensato si trasforma in ghiaccio, riducendo significativamente l’efficienza dello scambio termico e potendo danneggiare l’apparecchiatura.
Un altro limite importante è l’inerzia nella variazione della capacità, dovuta all’inerzia termica dell’evaporatore. Di solito il tempo di risposta del sistema a condensazione varia da 5 a 15 minuti a seconda della massa dello scambiatore di calore. Ciò può essere un fattore critico per le camere di prova, dove spesso sono richiesti rapidi cambi di regime.
I sistemi a condensazione presentano inoltre limiti riguardo al punto di rugiada raggiungibile, che di norma non può essere inferiore a +3°C…+5°C per la maggior parte dei sistemi standard. Questo è legato alle leggi termodinamiche del ciclo frigorifero e al rischio di formazione di brina sull’evaporatore.
Deumidificazione ad adsorbimento: vantaggi e sfide tecniche per condizioni dinamiche
I deumidificatori ad adsorbimento utilizzano desiccanti solidi (gel di silice, zeolite, setacci molecolari) per adsorbire l’umidità dall’aria. Questi sistemi offrono vantaggi significativi per le camere climatiche, tra cui la capacità di funzionare in un ampio intervallo di temperature — da -70°C a +80°C — e la possibilità di raggiungere punti di rugiada estremamente bassi, fino a -70°C per i sistemi a gel di silice.
Tuttavia, i sistemi ad adsorbimento presentano sfide tecniche proprie, la principale delle quali è la necessità di rigenerazione regolare dell’adsorbente. Il tempo di rigenerazione può variare da 20 a 180 minuti a seconda del tipo di desiccante e del grado di saturazione. Ciò introduce una certa ciclicità nel funzionamento del sistema, che deve essere considerata in fase di progettazione.
L’efficienza della deumidificazione ad adsorbimento dipende dalle isoterme di adsorbimento del desiccante specifico — grafici che mostrano la dipendenza della capacità adsorbente dall’umidità relativa a una determinata temperatura. La capacità di adsorbimento dipende anche dalla temperatura di rigenerazione, che di norma varia da 120°C a 180°C a seconda degli adsorbenti.
Metodologia di calcolo della capacità di deumidificazione per camere climatiche
La fase chiave nella progettazione di un sistema di deumidificazione per una camera climatica è la determinazione del carico di umidità durante il cambio di regime. Questo può essere calcolato con la formula:
$$Delta W = Delta d cdot V cdot rho$$
Dove $Delta W$ è la quantità di umidità da rimuovere (g); $Delta d$ è la differenza del contenuto assoluto di umidità tra stato iniziale e finale (g/kg di aria secca); $V$ è il volume della camera (m³); $rho$ è la densità dell’aria (kg/m³).
La capacità richiesta del deumidificatore si calcola considerando il tempo assegnato per il cambio di regime:
$$G_{осуш} = frac{Delta W}{Delta t} cdot k_{зап}$$
Dove $G_{осуш}$ è la capacità richiesta del deumidificatore (g/ora); $Delta t$ è il tempo assegnato per il cambio di regime (ore); $k_{зап}$ è il coefficiente di margine per regimi dinamici (di solito da 1,3 a 1,8).
Per scegliere il tipo di deumidificazione si può utilizzare il seguente algoritmo:
- Se T > +5°C E il punto di rugiada > 0°C, è possibile la deumidificazione a condensazione;
- Se T +5°C OPPURE il punto di rugiada -10°C, è necessaria la deumidificazione ad adsorbimento;
- Negli altri casi si raccomanda un sistema combinato.
Tempo di risposta del sistema di deumidificazione e fattori di inerzia
Il tempo di risposta complessivo del sistema di deumidificazione è la somma di diverse componenti di inerzia:
$$t_{реакц} = t_{тепл} + t_{рег} + t_{тр} + t_{дат}$$
Dove $t_{тепл}$ è l’inerzia termica dell’evaporatore a condensazione (5-15 min); $t_{рег}$ è il tempo di rigenerazione del rotore o delle cassette adsorbenti (20-180 min); $t_{тр}$ è il ritardo di trasporto nelle canalizzazioni (volume delle canalizzazioni / portata d’aria); $t_{дат}$ è l’inerzia dei sensori di umidità (30 s - 3 min).
L’inerzia termica dell’evaporatore a condensazione dipende dalla sua massa e dalla capacità termica del materiale. Per ridurre l’inerzia si utilizzano scambiatori di calore con massa inferiore o configurazioni speciali con maggiore velocità di scambio termico.
Il ritardo di trasporto nei condotti si calcola come rapporto tra il volume dei condotti e la portata d’aria. Per minimizzare questo fattore, nelle camere climatiche si tende a ridurre la lunghezza dei condotti e ad ottimizzarne la sezione.
Sistemi di deumidificazione combinati e di bufferizzazione
Per garantire un ampio intervallo di parametri operativi e rapidi cambi di regime nelle camere climatiche si utilizzano spesso sistemi di deumidificazione combinati. Una configurazione tipica è il collegamento in serie di deumidificatori a condensazione e ad adsorbimento, dove il sistema a condensazione è usato per la pre-deumidificazione e quello ad adsorbimento per raggiungere punti di rugiada bassi.
La commutazione tra i regimi può avvenire in base al criterio della temperatura o del punto di rugiada richiesto. Ad esempio, a temperature superiori a +5°C può essere impiegata la deumidificazione a condensazione, mentre a temperature inferiori quella ad adsorbimento.
Per smorzare i processi transitori e garantire una rapida risposta del sistema si utilizzano serbatoi tampone di aria trattata. Questi volumi vengono riempiti preventivamente con aria deumidificata che può essere rapidamente immessa nella camera durante il cambio di regime.
Il dosaggio preciso dell’umidità si ottiene mediante sistemi di bypass che consentono di miscelare aria deumidificata e non deumidificata nelle proporzioni necessarie per raggiungere l’umidità relativa impostata.
Conclusioni
La scelta e il calcolo del sistema di deumidificazione per le camere climatiche di prova è un compito ingegneristico complesso che richiede la considerazione di numerosi fattori. I parametri chiave che determinano la scelta del sistema sono il campo di temperature operative, il punto di rugiada richiesto e la velocità di variazione dei regimi.
Per garantire un controllo preciso dell’umidità è necessaria una profonda comprensione dei processi psicrometrici, in particolare della dipendenza dell’umidità relativa dalla temperatura. In fase di progettazione è indispensabile considerare il tempo di risposta del sistema come somma dell’inerzia termica, del ritardo di trasporto e del tempo di rigenerazione.
Per un ampio intervallo di temperature, la soluzione ottimale è costituita da sistemi combinati con possibilità di commutazione tra modalità di deumidificazione a condensazione e ad adsorbimento. La bufferizzazione e i sistemi di dosaggio preciso aiutano a garantire la rapidità di risposta e la precisione nel mantenimento dei parametri.
Si raccomanda ai progettisti di eseguire un calcolo individuale per ogni applicazione, tenendo conto dei requisiti specifici degli standard di prova, di scegliere apparecchiature con margine di capacità per i regimi dinamici e di prestare particolare attenzione alla minimizzazione del tempo di risposta del sistema per garantire un’elevata accuratezza nel controllo dell’umidità.
