Calcolatore SF6: massa del gas e umidità (punto di rugiada ↔ ppmv)

Calcoli i chilogrammi di SF6 di uno scomparto con l'equazione di van der Waals e converta l'umidità tra punto di rugiada e ppmv tenendo conto della pressione di misura.

Massa di gas e umidità: punto di rugiada, ppmv e pressione

Calcoli i chili di SF6 presenti in uno scomparto a partire da volume, pressione e temperatura, e converta l'umidità tra punto di rugiada e ppmv tenendo conto della pressione di misura.

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Che cosa fa questo calcolatore

Due cose che in campo si risolvono male: quanti chilogrammi di SF6 ci sono realmente in uno scomparto, e che cosa significa il punto di rugiada che l’analizzatore ha appena dato.

Massa del gas

Per il registro delle emissioni, per pianificare un recupero e per sapere se una perdita è rilevante serve la massa, non la pressione. Si calcola a partire dal volume dello scomparto, dalla pressione e dalla temperatura, risolvendo l’equazione di van der Waals per l’SF6 (a = 7,857 L²·bar/mol², b = 0,0879 L/mol, M = 146,06 g/mol).

Non è un raffinamento accademico. L’SF6 si allontana dal comportamento di gas ideale molto prima dell’aria: a 6 bar assoluti e 20 °C il suo fattore di comprimibilità è intorno a 0,94, quindi la formula del gas ideale lascia fuori circa il 6 % della massa. Il calcolatore mostra tale scostamento perché se ne veda la dimensione.

La temperatura conta quanto la pressione: la stessa cella a −10 °C e a 30 °C dà pressioni molto diverse con esattamente la stessa quantità di gas. Per questo i densimetri compensano in temperatura e per questo un «calo di pressione» in inverno non è sempre una perdita.

Umidità: punto di rugiada e ppmv

L’acqua è, dopo i prodotti di decomposizione, il problema dell’SF6: riduce la rigidità dielettrica superficiale e, in presenza di arco, forma composti corrosivi.

Il calcolatore converte nei due sensi usando le equazioni di Buck, su ghiaccio al di sotto di 0 °C, che è il modo in cui riportano il dato gli igrometri a punto di rugiada:

  • dal punto di rugiada misurato a ppmv;
  • da ppmv al punto di rugiada che si otterrebbe a un’altra pressione.

Questa seconda conversione è quella che evita l’errore più comune della prova. Il contenuto di acqua in ppmv non cambia con la pressione — le molecole d’acqua sono quelle che sono —, ma il punto di rugiada sì: comprimendo il gas sale la pressione parziale del vapore e l’acqua condensa a temperatura più alta. Misurare a pressione atmosferica e confrontare con un limite dato a pressione di servizio, o viceversa, porta a dare per buono un gas umido.

Esempio risolto

Scomparto da 1 m³ a 5 bar relativi e 20 °C, con un punto di rugiada misurato di −40 °C a pressione atmosferica.

  • Pressione assoluta: 6,01 bar → densità 38,4 kg/m³ → 38,4 kg di SF6. Come gas ideale sarebbero risultati 36,1 kg: 2,3 kg in meno.
  • −40 °C a 1,013 bar equivalgono a 127 ppmv.
  • Quello stesso gas, a 6 bar assoluti, ha un punto di rugiada di −23 °C.

Che cosa non fa questo calcolatore

Non dice se il gas è idoneo: questo dipende anche dalla purezza (percentuale di SF6 rispetto ad aria e CF4) e dai prodotti di decomposizione (SO2, H2S, HF), che si misurano con l’analizzatore e non si deducono dalla pressione. Non sostituisce il densimetro della cella né il calcolo della perdita, che richiede due misure separate nel tempo con la loro temperatura. E non copre né le miscele SF6/N2 né i gas alternativi, le cui costanti sono diverse.

Con che cosa si misura

La purezza, l’umidità e i prodotti di decomposizione si misurano con un analizzatore di gas SF6. La rilevazione delle perdite e le apparecchiature per recuperare, stoccare e ricaricare il gas appartengono alla stessa gamma di prova degli interruttori.

Domande frequenti

Perché non si può trattare l'SF6 come un gas ideale?
Perché è una molecola grande e pesante che si discosta sensibilmente dal comportamento ideale già alle pressioni di servizio. A 6 bar e 20 °C il fattore di comprimibilità è intorno a 0,94: calcolare la massa come gas ideale la sottostima di circa il 6 %. In uno scomparto da 500 litri sono quasi due chili di gas che mancano nel registro delle emissioni.
Perché lo stesso gas dà punti di rugiada diversi?
Perché il punto di rugiada dipende dalla pressione parziale del vapore acqueo, e tale pressione parziale sale con la pressione totale. Lo stesso contenuto in ppmv che a pressione atmosferica condensa a −40 °C, a 6 bar assoluti condensa al di sopra di −25 °C. Per questo un valore di punto di rugiada senza la pressione alla quale è stato misurato non significa nulla.
L'umidità si misura a pressione di servizio o a pressione atmosferica?
Dipende dallo strumento e dal limite che si applica. Molti analizzatori misurano a pressione ridotta e poi calcolano; le guide e i limiti sono di solito riferiti a una pressione precisa. L’importante è non confrontare una misura eseguita a una pressione con un limite dato a un’altra: questo calcolatore esegue esattamente tale conversione.