Il principio ingegneristico è la misurazione psicrometrica attraverso il raffreddamento evaporativo. Un sensore a bulbo secco misura la temperatura effettiva dell'aria, mentre un sensore a bulbo umido misura la temperatura di equilibrio inferiore prodotta quando l'acqua evapora da uno stoppino saturo. La depressione del bulbo umido, ovvero la differenza tra la temperatura a bulbo secco e quella a bulbo umido, indica il contenuto di umidità dell'aria e viene utilizzata per controllare l'umidità nelle camere di trattamento termico.

Maggiore è la differenza di temperatura tra bulbo secco e bulbo umido, più secca è l'aria e maggiore è la sua capacità di far evaporare l'umidità. Il monitoraggio di entrambe le temperature consente a un sistema di controllo di regolare l'umidità, la rimozione dell'umidità, il riscaldamento del prodotto, il restringimento e la resa.

Come funziona la misurazione a bulbo umido e a bulbo secco

La temperatura a bulbo secco misura il calore sensibile

Il sensore a bulbo secco è esposto direttamente all'aria di processo e misura la sua energia termica sensibile. È la normale temperatura dell'aria utilizzata per stabilire e mantenere il profilo di riscaldamento della camera.

In un affumicatoio o in un forno industriale, la temperatura a bulbo secco aiuta a determinare se l'aria circostante ha raggiunto la condizione di processo richiesta. Da sola, non indica quanta umidità contiene l'aria.

La temperatura a bulbo umido misura il raffreddamento evaporativo

Il sensore a bulbo umido è avvolto in uno stoppino saturo d'acqua. Quando l'acqua evapora dallo stoppino, assorbe calore latente dal sensore e dall'aria circostante, abbassando la temperatura del sensore.

Quando il calore trasferito dall'aria alla superficie bagnata è uguale al calore latente consumato dall'evaporazione, il sensore raggiunge una temperatura di equilibrio a bulbo umido stabile.

La differenza di temperatura rivela la capacità di trattenere l'umidità

La differenza tra la temperatura a bulbo secco, (T_{\mathrm{DB}}), e la temperatura a bulbo umido, (T_{\mathrm{WB}}), è chiamata depressione del bulbo umido:

[ \Delta T_{\mathrm{WB}} = T_{\mathrm{DB}} - T_{\mathrm{WB}} ]

L'aria non satura produce un'evaporazione più intensa, con conseguente maggiore differenza di temperatura. L'aria già prossima alla saturazione produce poca evaporazione, quindi la temperatura a bulbo umido si avvicina a quella a bulbo secco.

In condizioni di saturazione completa, le due letture sono approssimativamente uguali.

La base del trasferimento di calore e di massa

Il calore sensibile diventa calore latente

Il principio di funzionamento è un bilancio accoppiato di trasferimento di calore e di massa. Il calore sensibile si sposta dall'aria più calda verso lo stoppino bagnato, mentre le molecole d'acqua lasciano lo stoppino sotto forma di vapore e sottraggono calore latente.

Questo equilibrio può essere rappresentato concettualmente come:

[ q_{\text{sensible}} = q_{\text{latent}} ]

Utilizzando i coefficienti di trasferimento, il bilancio viene comunemente espresso come:

[ h(T_{\mathrm{DB}}-T_{\mathrm{WB}}) \approx N_1\Delta \tilde{H}_{\mathrm{vap}} ]

Qui, (h) rappresenta il trasferimento convettivo di calore, (N_1) rappresenta la velocità di evaporazione e (\Delta \tilde{H}_{\mathrm{vap}}) è il calore latente di vaporizzazione.

La relazione di Lewis collega il trasferimento di calore e di umidità

Per i sistemi aria-acqua, il numero di Lewis è spesso prossimo all'unità. Ciò consente di mettere in relazione il comportamento del trasferimento di calore e di massa attraverso l'analogia di Chilton-Colburn.

In condizioni appropriate, la relazione tra la concentrazione di vapore o l'umidità e la depressione di temperatura può essere approssimata come:

[ y_1

y_{1i}

\left( \frac{\tilde{C}p}{\Delta \tilde{H}{\mathrm{vap}}} \right) (T_{\mathrm{WB}}-T_{\mathrm{DB}}) ]

Questa è la base per utilizzare le due letture di temperatura per determinare l'umidità mediante un diagramma psicrometrico, una tabella o un algoritmo di controllo.

La misurazione è psicrometrica, non semplicemente termometrica

I sensori non misurano direttamente l'umidità relativa. Misurano due temperature e l'umidità viene dedotta dalla loro relazione termodinamica.

L'umidità calcolata dipende anche da condizioni quali pressione barometrica, velocità dell'aria, stato dello stoppino e posizione del sensore. Pertanto, un controllo affidabile richiede una calibrazione adeguata e un flusso d'aria sufficiente sullo stoppino del bulbo umido.

Perché l'umidità è importante nel trattamento termico

L'umidità controlla l'evaporazione dell'acqua

L'umidità relativa determina la forza motrice della pressione di vapore tra la superficie del prodotto e l'aria circostante. L'aria secca della camera aumenta l'evaporazione, mentre l'aria umida della camera la riduce.

Ciò rende la misurazione a bulbo umido e a bulbo secco particolarmente utile durante le fasi di cottura, pastorizzazione, affumicatura ed essiccazione, quando il contenuto di umidità del prodotto cambia continuamente.

L'umidità influenza la perdita di resa

Un'evaporazione eccessiva rimuove acqua dal prodotto e causa restringimento e perdita di resa. Mantenere l'umidità prevista riduce la perdita di umidità non necessaria, consentendo comunque al processo di raggiungere gli obiettivi di riscaldamento e sviluppo della superficie.

Il controllo dell'umidità è quindi una funzione di controllo economico oltre che termico.

L'umidità influisce sul trasferimento di calore e sulla consistenza superficiale

L'aria umida modifica le condizioni per il trasferimento convettivo ed evaporativo di calore sulla superficie del prodotto. Influisce inoltre sull'essiccazione superficiale, sulla consistenza, sullo sviluppo del colore e sulla formazione di un involucro o di uno strato esterno.

Una camera può raggiungere la temperatura target a bulbo secco e continuare a produrre risultati indesiderati sul prodotto se l'umidità non è controllata.

L'umidità contribuisce al raggiungimento della temperatura al cuore

La temperatura e l'umidità dell'aria della camera devono essere coordinate per portare il cuore del prodotto alla temperatura di pastorizzazione richiesta. Un obiettivo come 160°F può essere utilizzato in un particolare processo, ma il valore corretto dipende dal prodotto, dalla formulazione, dalle specifiche di processo e dai requisiti di sicurezza alimentare convalidati.

La misurazione a bulbo umido e a bulbo secco aiuta gli operatori a raggiungere tale obiettivo termico senza imporre al prodotto condizioni di essiccazione non necessarie.

Come il sistema di controllo utilizza entrambi i segnali

Il segnale del bulbo secco controlla il riscaldamento

La lettura del bulbo secco viene generalmente utilizzata per regolare riscaldatori, vapore, alimentazione di aria calda o potenza del bruciatore. Stabilisce il setpoint della temperatura sensibile della camera.

Questo segnale risponde alla domanda: Quanto è caldo l'ambiente di processo?

Il segnale del bulbo umido controlla le condizioni di umidità

La lettura del bulbo umido, interpretata insieme a quella del bulbo secco, indica lo stato di umidità della camera. Il sistema di controllo può rispondere aggiungendo vapore, regolando la ventilazione, modificando la circolazione dell'aria o cambiando la fase del processo.

Questo segnale risponde alla domanda: Con quale intensità l'ambiente di processo può far evaporare l'acqua?

La coppia fornisce una misurazione dello stato del processo

Una singola temperatura non può distinguere tra aria calda e secca e aria calda e umida. Le due letture forniscono informazioni sufficienti per stimare la condizione dell'aria su base psicrometrica.

Questa distinzione è essenziale perché due camere alla stessa temperatura a bulbo secco possono causare perdite di umidità del prodotto molto diverse.

Comprendere i compromessi

Una maggiore differenza di temperatura non è sempre migliore

Una grande depressione del bulbo umido indica una forte capacità evaporativa, ma ciò può essere indesiderabile durante una fase di riscaldamento sensibile all'umidità. Un'evaporazione più rapida può aumentare il restringimento, indurire la superficie e ridurre la resa finale.

L'umidità corretta è quella che soddisfa l'obiettivo di processo convalidato, non semplicemente quella che massimizza l'evaporazione.

La misurazione a bulbo umido presenta limitazioni pratiche

Un sensore a bulbo umido richiede uno stoppino pulito e costantemente bagnato, oltre a un flusso d'aria sufficiente. Contaminazione, bagnatura insufficiente, circolazione inadeguata o posizionamento errato possono produrre una lettura fuorviante.

I processi ad alta temperatura richiedono inoltre materiali del sensore e pratiche di gestione dell'acqua adatti all'ambiente operativo.

La differenza di temperatura non è una conversione diretta universale

La depressione del bulbo umido è correlata all'umidità relativa, ma non rappresenta una conversione percentuale fissa in ogni condizione. La pressione e le ipotesi psicrometriche influenzano il risultato e la relazione cambia con la temperatura.

Per un controllo accurato, utilizzare il calcolo psicrometrico applicabile o uno strumento calibrato, invece di considerare ogni grado di differenza come un incremento costante dell'umidità.

Le variabili del prodotto e del processo sono ancora importanti

L'umidità dell'aria da sola non determina la perdita di umidità del prodotto. Anche la composizione del prodotto, la geometria, l'area superficiale esposta, il flusso d'aria, la densità di carico, l'involucro e il tempo di permanenza influenzano il trasferimento di calore e di massa.

Il controllo a bulbo umido e a bulbo secco fornisce la condizione della camera; non sostituisce la convalida del processo o la misurazione della temperatura al cuore.

Applicazione del principio a un'unità di trattamento termico

Il principio di misurazione diventa utile quando viene collegato agli obiettivi effettivi del processo.

• Se il tuo obiettivo principale è il controllo dell'umidità: Utilizza la differenza tra bulbo secco e bulbo umido insieme a una relazione psicrometrica corretta in base alla pressione per regolare il vapore, la ventilazione o il ricambio d'aria.
• Se il tuo obiettivo principale è ridurre al minimo il restringimento: Evita una depressione del bulbo umido inutilmente elevata durante le fasi in cui la ritenzione dell'umidità e la resa sono importanti.
• Se il tuo obiettivo principale è la pastorizzazione: Coordina la temperatura e l'umidità della camera con la temperatura al cuore, il tempo e i requisiti di sicurezza alimentare convalidati.
• Se il tuo obiettivo principale è lo sviluppo del processo: Registra entrambe le temperature insieme al peso del prodotto, alla perdita di umidità, alle condizioni della superficie e alla temperatura al cuore per stabilire l'intervallo operativo.
• Se il tuo obiettivo principale è l'affidabilità della misurazione: Mantieni lo stoppino, verifica il flusso d'aria sul sensore, controlla la calibrazione e considera la pressione della camera e la posizione del sensore.

Comprendere la depressione del bulbo umido come risultato del trasferimento accoppiato di calore sensibile e della rimozione di calore latente consente agli ingegneri di controllare l'umidità con la stessa intenzionalità della temperatura.

Tabella riepilogativa:

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