conditionare

Instalaii de condiionare a aerului 9

CAP. 1 Generaliti privind instalaiile de condiionare a aerului

1.1 Ce reprezint instalaiile de condiionare a aerului?

Instalaiile de condiionare sunt sisteme tehnice prin a cror funcionare se poate obine ntr-un spaiu nchis (cldiri, ncperi, hale industriale, etc.) separat de mediul ambiant un climat caracterizat prin anumite valori ale temperaturii, umiditii, vitezei aerului, etc. Dup destinaie acestea se clasific n instalaii pentru:

Condiionarea de confort au ca obiectiv obinerea unor parametrii fizico-termici n care omul s aib senzaia de confort, s se simt bine. Tot n aceast categorie intr i condiionarea care are ca scop obinerea unor parametrii fizico-termici propice dezvoltrii organismelor vi de exemplu: creterea intensiv a animalelor (psri, porci, vite, animale exotice etc.) sau cultivarea plantelor;

Condiionarea industrial au ca scop realizarea unor parametrii fizico-termici obligatorii pentru desfurarea n bune condiii a unor procese tehnologice, de exemplu:

- n industria alimentar: cazul unor depozite frigorifice pentru pstrarea anumitor produse alimentare pe termen lung: legume, fructe, carne etc., n procesele tehnologice de obinere a ciocolatei i a bomboanelor, industria prelucrtoare a crnii, n procesele tehnologice de obinere a produselor de panificaie, etc.

- n industria chimic: pentru realizarea unor condiii optime de desfurare a reaciilor chimice;

- n medicin i industria farmaceutic prin controlul puritii aerului, a temperaturii i umiditii;

- n industria materialelor de construcii: crmid, faian, ciment, etc;

- n industria textil;

10 Instalaii de condiionare a aerului

- n industria poligrafic; - n industria de prelucrare a lemnului; - n industria constructoare de maini n slile de montaj; - n industria productoare de ceasuri i componente

electronice.

1.2 Ce reprezint confortul?

Totalitatea condiiilor fizico-termice i nu numai, care ajut la realizarea unui mediu n care omul (sau o alt fiin vie: animal, plant) s se simt bine n timpul activitii sau odihnei, definesc aa numitul CONFORT sau STARE DE CONFORT. Condiiile de confort i percepia senzaiei de confort este relativ. Ea difer de la organism la organism de la individ la individ. Spre exemplu organismul uman poate fi comparat cu o maina termic care primete energie prin oxidarea alimentelor Q SC (sursa cald SC), produce puterea mecanic P i cedeaz fluxul de cldura SRQ ctre mediul ambiant (care reprezint sursa rece SR), fig.1.1.

Figura 1.1 Corelaia ntre efortul fizic realizat P i fluxul de cldura cedat

SRQ are o influen deosebit de important asupra strii de confort pentru organismul respectiv. Senzaia de confort uman este asigurat de urmtorii factori:


schimbul de cldur ntre organism i mediul ambiant Fluxul total de cldur schimbat ntre organism i mediul ambiant are trei componente

Q organism uman= Q sensibil +Q latent + Q radiaie Componenta sensibil este condiionat de coeficientul global de schimb de cldur k, suprafaa organismului A precum i de temperatura mediului ambiant tamb (n condiiile n care temperatura organismului uman poate s fie considerat constant torganism uman=ct).

Q sensibil = k Aorganism ( tamb - torganism uman ) Din punct de vedere al fluxului optim schimbat de organism cu mediul ambiant acesta se nregistreaz n urmtoarele condiii: torganism 36.5 C iar tamb topt = (2022) C. Obs. Noiunea de temperatur ambiant optim este relativ, fiecare om percepe senzaia de confort la o anumit valoare a temperaturii ambiante. Statistic s-a dovedit c intervalul de temperatur topt = (2022) C este acoperitor n proporie de peste 80 % din cazuri n definirea strii de confort uman. Drept urmare valoarea temperaturii ambiante are urmtoarele consecine asupra organismului:

- tamb


Componenta latent a fluxului de cldur condiioneaz la rndul ei starea de confort uman.

Q latent=Q latent ( m umiditate, H) Cu ct aerul este mai saturat n vapori de ap cu att schimbul de cldur sub forma latent este mai redus i viceversa cu ct aerul este mai nesaturat cu att componenta latent este mai pregnant dac se noteaz umiditatea relativ a mediului ambiant cu amb rezult urmtoarele corelaii:

amb m umiditate respiraie-transpiraieQ latent senzaia de zpueal;

amb m umiditate respiraie-transpiraie Q latent senzaia de uscciune; Este de remarcat c n situaia n care activitatea fizic a oamenilor este intens atunci se intensific i fluxul de cldur cedat de organism mediului ambiant. Componenta radiativ a schimbului de cldur este condiionat de temperatura corpurilor nconjurtoare.

Q radiaie=Q radiaie(T4) Cu ct temperatura corpurilor nconjurtoare, temperatura medie radiativ a suprafeelor nconjurtoare tmedr este mai mare cu att mai intens este schimbul de cldur radiativ (ex. soarele) i invers (ex. cazul corpurilor foarte reci)

tmedr Q > 0 senzaie de cldur, chiar dac temperatura aerului ambiant este sczut;

tmedr Q < 0 senzaie de frig, chiar dac temperatura aerului ambiant este ridicat;

puritatea aerului: coninutul mare de CO2 sau alte gaze sau coninutul mare de praf (de natur organic sau anorganic) poate afecta senzaia de confort; gradul de ionizare; iluminatul; nivelul de zgomot i vibraii; elementele estetice, etc. Din punct de vedere senzorial confortul termic nseamn n primul rnd lipsa senzaiilor neplcute de cald sau frig, iar din punct


de vedere biologic nseamn asigurarea evacurii cldurii interne a organismului uman, fr suprasolicitarea sistemului termoregulator.

De exemplu pentru confortul uman se definesc valori minime i maxime ale unor parametrii care n diagrama H-x definesc poligonul de agrement, fig. 1.2

tamb > tmax senzaia de cald / tamb < tmin senzaia de frig; < min senzaia de uscciune / > max senzaia de zpueal.

Figura 1.2

Observaia1: Senzaia de confort este diferit de la organism la organism i de la individ la individ. Spre exemplu confortul pentru erpi se nregistreaz pentru topt > toptmax om i < max om, iar pentru bumbac, orez, brad, palmier, urs polar etc. n alte condiii caracteristice fiecrui organism;

Observaia2: Una din cele mai importante etape n proiectarea unei instalaii de condiionare este stabilirea parametrilor microclimatului n care organismul are senzaia de confort sau trebuie s evolueze n condiii optime.


1.3 Scurt istoric

ntotdeauna omul a fost preocupat de mbuntirea confortului termic i nu numai. n mod paradoxal forme de condiionare i climatizare a aerului se cunosc din cele mai vechi timpuri:

- probabil n prima etap a fost preocupat de nclzirea aerului necesar n timpul anotimpurilor reci realizarea unor focuri n peteri, etc.;

- primii pai n condiionare au fost fcui prin ventilarea manuala utiliznd evantaiul;

- evul mediu i antichitate fntni arteziene pentru mprosptarea aerului n imediata apropiere a unor piee situate n zone aride ca Spania, sudul Italiei etc.;

- umidificarea aerului n camere i spaii nclzite cu surse de temperatur ridicat (exemplu sobe sau plite) prin evaporarea liber a apei dintr-un vas:

- prin ventilarea natural a caselor: podul casei i tirajul natural realizat de sobe;

- nceputul secolului al XIX-lea a fost marcat de utilizarea ventilaiei mecanice.

n Romnia primul local care a fost echipat cu un sistem incipient de condiionare a fost Atheneul Romn ventilaie mecanic.

1.4 Clasificarea instalaiilor de climatizare

Funcionarea instalaiilor de climatizare de confort este similar cu funcionarea instalaiilor de climatizare tehnologic, n cele ce urmeaz vor fi studiate n amnunt instalaiile de climatizare destinate confortului uman. Instalaiile de climatizare au ca scop realizarea i meninerea unor condiii climatice proprii desfurrii activitii umane:

- t temperatura aerului; - umiditatea relativ; - w viteza de deplasare a aerului; - - puritatea aerului, etc.


Instalaiile complexe de tratare a aerului sau de condiionare fig. 1.3 cuprind:

- SA sistem de amestecare; - SF sistem de purificare filtrare; - S sistem de nclzire; - SR sistem de rcire; - SUm sistem de umidificare; - SUs sisteme de uscare; - SV sistem de ventilaie.

Figura 1.3

Instalaiile de condiionare lucreaz cu cel mai cunoscut agent termic: AERUL atmosferic. n practic instalaiile de condiionare n funcie de configuraie pot s nu conin toate elementele specificate n fig. 1.3, spre exemplu instalaiile de tip split au n componen urmtoarele elemente:

- ventilator sistem de ventilaie; - filtru sistem de purificare; - vaporizator sistem de rcire;


- rezistente electrice sau condensator sistem de nclzire; - nu conine sistem de umidificare, sistem de uscare sau

sistem de amestecare.

Exist sisteme de condiionare simple: care pot realiza doar ventilaie i nclzire; ventilaie i rcire; ventilaie i filtrare, etc. sau orice combinaie de dou sau mai multe astfel de sisteme. Sistemul de ventilaie este sistemul care poate fi realizat n mai multe variante tehnice:

- ventilaie mecanic; - ventilaie natural; - ventilaie combinat.

n funcie de modul n care au loc degajrile de noxe din spaiul ce trebuie ventilat sistemele de ventilaie se grupeaz n:

- sistem de ventilaie local cnd degajrile de noxe sunt grupate;

- sistem de ventilaie general cnd degajrile de noxe sunt distribuite.

1.5 Generaliti privind necesitatea tratrii aerului

Posibilitatea modificrii parametrilor aerului are avantajul de a realiza o stare de microclimat benefic activitii umane sau activitii tehnologice chiar i n cele mai dezavantajoase condiii climaterice.

Cele 4 zone climaterice cunoscute sunt:

- zona rece: n care temperatura medie lunar este mai cobort de -15C Finlanda Groenlanda; iar umiditatea relativ mai mic de


- zona uscat sau seac: temperatura medie lunar > 25C Africa de Nord, Sudul SUA, Sudul Europei; iar umiditatea relativ mai mic de 25C i umiditatea relativ > 80% Bazinul Amazonului, India, Africa Centrala.

Parametrii climatici la nivelul globului sunt ntr-o dinamic permanent, dinamic determinat de efectul de ser i de creterea gradului de poluare. Spre exemplu zona temperat n anotimpul cald la nivelul anilor 1950 era caracterizat de o medie zilnic a temperaturii de t = 1718C respectiv a umiditii de =40%, n prezent aceti parametri depesc t=2226C i =50% ceea ce corespunde unei diferene de cca 4 g apa/m3 de aer. n prezent toate fenomenele meteorologice bizare au o explicaie legat ntr-un fel sau altul de circuitul apei n natur i de faptul c atmosfera se comport ca o imens instalaie cu turbin cu abur ITA n care agentul termic apa preia cldura de la soare, se evapor la nivelul solului se destinde ctre pturile nalte ale atmosferei n care cedeaz o parte din fluxul de cldur prin condensare producnd n felul acesta o cantitate fabuloas de energie mecanic sub forma unor micri violente ale straturilor de aer din atmosfer (vnturi, taifunuri, tornade etc.). Cu ct se nregistreaz o supranclzire mai puternic a atmosferei datorit efectului de ser cu att debitul de ap evaporat crete iar violena fenomenelor meteorologice este mai ridicat Alturi de temperatur umiditatea nu este numai un parametru de confort ci i unul de igien deoarece mediul umed este propice dezvoltrii florei bacteriene i microbiene (virusuri etc). Modificarea permanent a parametrilor ce caracterizeaz aerul atmosferic are o implicaie direct i asupra funcionrii instalaiilor de climatizare i condiionare a aerului de aici rezult necesitatea dimensionrii acestor sisteme de aa manier nct ele s poat face fa acestor modificri. Ce este foarte important de subliniat este faptul c instalaiile de climatizare sunt mari consumatoare de energie utilizarea lor contribuie la intensificarea efectului de ser drept urmare cu ct


suntem mai preocupai de confortul nostru termic cu att impactul asupra mediului este mai mare drept urmare utilizarea acestor instalaii trebuie fcut cu discernmnt i n regimuri de funcionare ct mai economice.


CAP. 2 Psihrometrie Termodinamica aerului umed

Psihrometria reprezint ramura termodinamicii care are ca obiect analiza proprietilor aerului umed. Acest termen este utilizat de mai bine de 100 ani. n prezent n mod consacrat diferena de temperatur ntre temperatura msurat cu termometrul uscat i temperatura msurat cu termometrul umed t=ttermometru uscat ttermometru umed se numete diferen psihrometric i se utilizeaz n determinarea umiditii relative .

2.1 Compoziia aerului umed

Aerul atmosferic este agentul termodinamic de lucru specific instalaiilor de condiionare. Aerul atmosferic este un amestec de gaze format din: N2, O2, CO2, Ar, Ne, He, COetc., ap i particule solide n suspensie, fig. 2.1a. Apa coninut n aer poate fi n stare gazoas vapori supranclzii, lichid cea sau picturi, solid zpad sau ghea. Particulele n suspensie pot fi de natur mineral sau biologic. Compoziia aerului a fost definit pentru prima dat de Lavoisier n 1774 ca un amestec de dou gaze n care cu o pondere de 1/5 intr un gaz care ntreine viaa pe care l-a numit aer eminamente respirabil iar mai trziu aer vital (vezi O2) i cu 4/5 un gaz care nu ntreine viaa animal (vezi N2). Lavoisier a separat prin nclzire i oxidarea mercurului componentele din aer. [2] La mai bine de 120 ani n 1900 Claude a separat fizic componentele aerului prin lichefierea i separarea acestuia rezultnd n 100 dm3: 78,03 dm3 - 78,03 % N2, 20,99 dm3 - 20,99% O2, 0,03 dm3 - 0,03% CO2, iar diferena de 0,95 dm3 - 0,95% un amestec de gaze rare din care Ar reprezint 0,94%, iar diferena de 0,01% este format din He, Kr, Xe i H2.


Se observ cu uurin c n aceste analize a fost neglijat prezena apei i a particulelor solide. Dac separm printr-o metod ipotetic elementele care formeaz aerul atmosferic putem evidenia schematic structura aerului ca in fig. 2.1b. Aa cum se observ n fig. 2.1b componentele precum N2, O2, CO2, Ar, Ne, He etc. care intr n componena aerului atmosferic, grupate n stnga volumului V, sunt n stare gazoas. La dreapta acestora este prezent apa care poate fi n toate cele trei stri de agregare iar apoi impuritile n stare solid. Strile de agregare ce caracterizeaz componentele care intr n structura aerului atmosferic se explic prin faptul c temperaturile de saturaie corespunztoare presiunilor pariale la care se afl componenii din aer sunt mult mai mici dect temperatura ambiant.

Figura 2.1a Figura 2.1b

n tabelul 2.1 sunt prezentai parametrii termodinamici ce caracterizeaz patru dintre componentele cele mai importante ale aerului atmosferic (N2, O2, CO2, H2O) la o temperatur ambiant de 200C i o presiune atmosferic de 1,013 bar. Compoziia este exprimat n participaii volumice ri. Se constat c temperaturile de saturaie corespunztoare presiunilor pariale sunt mai mici dect temperatura ambiant de 200C. n fig. 2.2 sunt prezentate schematic curbele de saturaie pentru gazele specificate n tabelul 2.1. Se constat c strile 1, 2,


3, 4 reprezentate n fig. 2.2 sunt plasate toate n domeniul vaporilor supranclzii.

Starea PB pcr [bar] tcr [0C] r [-] pi [bar] tsi [0C] N2 1

1,01

3 ba

r 33,9 -147 0,78 0,79 -197

O2 2 49,9 -118 0,20 0,20 -195

CO2 3 74 31 0,310-3 0,310-3


Ca urmare a raionamentului prezentat putem s definim aerul uscat amestecul format din componente care pot fi considerate gaze perfecte, vezi fig. 2.1b. Amestecul format din aerul uscat i ap l putem defini ca aer umed, vezi fig. 2.1b, iar dac adugm impuritile putem defini amestecul ca fiind aer atmosferic. Aerul utilizat n instalaiile de climatizare i condiionare nu este aer uscat ci este aer atmosferic. Datorit faptului c toate sistemele de tratare a aerului sunt prevzute cu sisteme de filtrare care rein impuritile putem considera c din punct de vedere termodinamic aerul atmosferic este similar cu aerul umed. n plus prezena particulelor n suspensie nu modific n mod semnificativ proprietile fizico-termice ale aerului. Modificarea compoziiei aerului uscat nu afecteaz n mod semnificativ proprietile aerului atmosferic deoarece ponderea cea mai mare n aerul uscat o au azotul i oxigenul (cu excepia unor cazuri particulare n care se modific semnificativ ponderea acestor dou gaze n aerul uscat). Cu toate c ponderea apei n aerul umed este foarte mic prezena ei modific n mod semnificativ proprietile termodinamice ale acestuia. Aceasta este explicaia pentru care apa reprezint o component important a aerului n instalaiile de condiionare i climatizare. Prezena apei n stare lichid duce la pierderea transparenei aerului datorit diferenei dintre coeficienii de refracie ce caracterizeaz cele doua fluide apa n stare lichid i aerul uscat. La trecerea unei raze luminoase prin cea direcia de propagare se fragmenteaz, se modific n permanen deoarece strbate medii ce alterneaz n permanent: aer-ap n stare lichid-aer. n situaia n care apa din aer este n stare de vapori supranclzii coeficientul de difracie a acestora din urm este similar cu al aerului uscat, direcia de deplasare a razei luminoase nu mai este deviat, drept urmare mediul (aerul umed) este transparent. La o analiz mai atent a diagramei T-s pentru ap, dac se considera 1 starea vaporilor de ap coninui n aerul atmosferic aflai la temperatura ambiant T1 i presiunea parial pv, fig. 2.3, n cazul n care temperatura aerului se modific rezult i o modificare a proprietilor termofizice:


T1>Ts aer este nesaturat n vapori de ap, iar apa este n stare de v.s. - vapori supranclzii; T1 pn la Ts; x=1 aer saturat n vapori de ap, iar apa este n stare de v.s.us - vapori saturai uscai; T1 pn la Ts; x


caracterizeaz vaporii de ap, adic de coninutul de umiditate din aerul umed. Compoziia aerului atmosferic difer prin modificarea ponderii celor trei compui, aer uscat, vapori de ap i impuriti, de la zon la zon funcie de:

- poziia geografic: altitudine, longitudine, latitudine; - apropierea de: orae, zone industriale, pduri, zone floricole,

surse de ap etc.; - perioad: zi/noapte, anotimp.

Spre exemplu, n zonele: - industriale sau urbane se modific ponderea particulelor anorganice. Coninutul de praf din aer variaz n mod semnificativ funcie de urmtoarele zone: rural 0.050.15mg/m3; ora: 0.40.75 mg/m3; zone industriale: 3100 mg/m3; - floricole se modific ponderea particulelor organice; - urbane sau lng platformele industriale se modific ponderea ntre O2 i CO2 respectiv CO sau pot apare ali compui chimici determinai de procesele termodinamice utilizate n tehnologiile din apropiere. n prezent cantitatea de CO2 este n cretere continu datorit tehnologiilor industriale i a proceselor de ardere care au loc n toate sisteme termice care utilizeaz combustibili clasici. La altitudini de peste 510 km compoziia aerului este n mod semnificativ diferit att din punctul de vedere al gazelor care formeaz aerul uscat ct i din punctul de vedere al prezenei apei i a particulelor de natur mineral sau biologic. n mod evident odat cu altitudinea ponderea N2 si O2 se diminueaz semnificativ aceti componeni fiind nlocuii de H2 i He care sunt caracterizai de mase moleculare mai mici. Acest fenomen se nregistreaz la altitudini mai mari de 10 km, la altitudini de peste 800 km compoziia aerului ajunge 50% He i 50 % H2.

2.2 Parametrii de stare ce caracterizeaz aerul umed

Aa cum s-a subliniat i n subcapitolul precedent, agentul termodinamic folosit n instalaiile de condiionare este aerul atmosferic. Datorit faptului c aceste sisteme sunt echipate cu


elemente de filtrare care rein impuritile putem considera c agentul de lucru este aerul umed. Aadar n analiza care urmeaz vom lua n considerare cele dou componente aerul uscat i vaporii de ap, masa aerului umed, aumm fiind egal cu suma maselor componentelor:

vausaum mmm +=

ausm - masa aerului uscat vm - masa vaporilor de ap

2.2.1 Presiunea aerului umed

Procesele sau transformrile termodinamice care au loc n instalaiile de condiionare pot fi considerate c au loc la presiune constant. n plus valoarea presiunii aerului umed vehiculat n instalaiile de condiionare este foarte apropiat de presiunea atmosferic deoarece ventilatorul acestor instalaii realizeaz o suprapresiune suficient s compenseze pierderile de presiune locale sau distribuite din reeaua de aer condiionat.

Notaie: paum [N/m2] Definiie: Presiunea aerului umed este suma presiunilor pariale ce caracterizeaz componentele aerului umed, respectiv presiunea aerului uscat i presiunea vaporilor supranclzii de ap. n instalaiile de condiionare sau de tratare a aerului, presiunea parial a vaporilor de ap este mult mai mic fa de presiunea amestecului (sau presiunea barometric) pv


Dac ponderea vaporilor de ap n aerul umed crete pv crete i implicit, dac ponderea vaporilor de ap scade pv scade.

2.2.2 Temperatura ce caracterizeaz aerul umed

n aplicaiile legate de tehnica climatizrii, condiionrii i ventilrii aerul umed este caracterizat de urmtoarele temperaturi:

a. Temperatura termometrului uscat

Notaie: tusc sau t, [0C] Definiie: Temperatura aerului msurat cu un termometru obinuit, protejat mpotriva radiaiilor termice.

b. Temperatura termometrului umed

Notaie: tum sau t, [0C] Definiie: Temperatura indicat de un termometru obinuit, al crui bulb este nfurat ntr-un tifon mbibat cu ap. Aceast temperatura poart denumirea de temperatur de saturaie adiabatic a aerului umed, deoarece cldura de evaporare a apei este luat din aer ca unic surs de cldura.

Observaie: n regim staionar, cldura de vaporizare a apei, rvap, este egal cu cldura cedat de aerul umed apei de pe tifon vaporii difuzeaz n aer fcnd sa creasc coninutul de umiditate de la x la xu > x kgv/kgaus . n ansamblu procesul poate fi considerat izentalpic. Plecnd de la ecuaia de bilan energetic sau ecuaia principiului I tldhq += (n condiiile n care se neglijeaz variaia de energie cinetic i potenial) i innd cont c procesele ce caracterizeaz aerul umed pot fi considerate la presiune constant se poate scrie:

0== dpctp 0== vdplt rezult c ntr-un astfel de proces schimbul de cldur se regsete n variaia de entalpie:

(2.2)

== dhqdhq (2.3)


Drept urmare aerul fiind unic surs de cldura procesul adiabatic este i un proces izentalpic. Apa preia energie sub form de cldur de la aer, vaporizeaz iar dup evaporare se rentoarce n aer sub form de vapori supranclzii care particip cu entalpia lor la energia total a aerului umed.

vapuump rxxttcx um =+ )()()1( (2.4) n relaia (2.4) termenul din stnga reprezint cldura sensibil pe care aerul a cedat-o apei, iar termenul din dreapta reprezint entalpia apei evaporate. Semnificaia mrimilor din ecuaia (2.4) este: x coninutul de vapori de ap din aerul umed; xu coninutul de vapori de ap din aerul saturat; cpum cldura specific a aerului umed; rvap cldura latent de vaporizare a apei. Din relaia (2.4) se poate determina expresia temperaturii umede:

tc

r

x

xxtt

pum

vapuum


ap la rcirea izobar a aerului umed, caracterizat de un anumit coninut de umiditate. Temperatura de rou poate fi msurat direct prin msurarea temperaturii unei suprafee rcite pe care ncepe s se manifeste fenomenul de rou. Msurarea se poate face automat dac se urmrete printr-un fotoelement o suprafaa lucie a crei temperatur poate fi modificat. Scderea temperaturii acestei suprafee face ca la un moment dat pe suprafa s apar ap n stare lichid ceea ce modific proprietile optice ale suprafeei. Fotoelementul sesizeaz aceast modificare i comand ctre un element termosensibil msurarea temperaturii suprafeei la momentul apariiei fenomenului de rou. Valoarea temperaturii la momentul apariiei particulelor de ap n stare lichid pe suprafaa de analiz reprezint temperatura de rou.

Observaie: Temperaturile t, tum, tR sunt mrimi ce se pot msura direct, precis i obiectiv cu aparate de msur. Din punct de vedere al confortului uman, aceste temperaturi nu sunt suficiente n aprecierea strii de confort respectiv n evaluarea senzaiilor termice ale organismului uman deoarece nu in cont de alte mrimi care au implicaii asupra acestor senzaii. De aceea s-au introdus o serie de temperaturi care in cont de aceste aspecte i care intr n mulimea temperaturilor senzitive. Prin definirea acestor mrimi sunt luai n considerare i ali parametri sau mrimi care influeneaz temperatura sesizat de organism: - umiditatea; - radiaia termic a obiectelor nconjurtoar; - viteza aerului, etc. Definirea acestor temperaturi s-a fcut pe baza interpretrii unor rezultate experimentale obinute n urma studiului senzaiilor termice ale omului pe mai multe grupuri de oameni care au fost plasai n spaii n care s-au modificat parametrii fizico-termici ai aerului. Pentru a nelege influena acestor mrimi asupra percepiei senzoriale a organismului uman vom analiza urmtoarele situaii: I. Percepia unei persoane aflate ntr-un spaiu n care temperatura este de 20 0C i umiditatea relativ oarecare, difer de percepia aceleiai persoane aflat la temperatura de 20 0C dar


la o umiditatea relativ mai mare. Din cauza faptului c n al doilea caz umiditatea este ridicat organismul persoanei care face obiectul studiului nu poate elimina aceeai cantitate de energie ca n primul caz. Prin urmare, percepia lui este c aerul are o temperatur mai ridicat n a doua situaie dect n prima chiar dac temperatura termometrului uscat este aceeai n ambele situaii. II. Percepia unei persoane aflat la temperatura de 20 0C iar aerul ambiant are o vitez dat, este diferit de cea pe care o are aceeai persoan ntr-un spaiu n care temperatura este tot de 20 0C dar viteza aerului este dubl. Din cauza faptului c n al doilea caz viteza aerului este ridicat, schimbul de cldura ntre organism i aer este intensificat percepia acestuia fiind de rcoare chiar dac temperatura indicat de termometrul uscat este aceeai n ambele situaii. III. Percepia unei persoane aflate ntr-o ncpere n care att temperatura obiectelor din camer ct i temperatura aerului este de 20 0C difer de cea pe care o are aceeai persoan ntr-un spaiu n care temperatura aerului este de 20 0C dar obiectele din camer au o temperatur mult mai ridicat (de exemplu o sob). Din cauza faptului c n al doilea caz se manifest schimbul de cldur radiativ ntre persoana aflat n camer i corpul de temperatur ridicat, percepia persoanei este c temperatura este mai mare chiar dac temperatura indicat de termometrul uscat este aceeai n ambele situaii.

d. Temperatura efectiv

Notaie: tef, [0C] Definiie: Temperatura aerului saturat imobil, la care omul are aceleai senzaii termice ca i n aerul imobil la o anumit temperatura i umiditate [1]. Este temperatura care ine cont practic de influena umiditii n starea de confort (vezi exemplul I). La o anumit temperatur a aerului nesaturat, temperatura efectiv (corespunztoare strii de saturaie) este mai mare dect temperatura aerului dup termometrul uscat.


e. Temperatura efectiva echivalent

Notaie: tech, [0C] Definiie: n afar de temperatura aerului dup termometrul uscat i de umiditatea relativ acesta ia n considerare i influenta vitezei de micare a aerului asupra sistemului senzorial al omului (vezi exemplul II).

f. Temperatura rezultant

Notaie: trez, [0C] Definiie: n afara de temperatura aerului dup termometrul uscat, umiditate absolut i de viteza de micare a aerului aceast mrime ia n considerare i temperatura medie de radiaie a obiectelor nconjurtoare, msurat cu termometrul sferic (vezi exemplul III).

2.2.3 Umiditate absolut

Notaie: v sau a, v [kgvap/m3] Definiie: Reprezint masa vaporilor de ap coninut ntr-un m3 de aer umed.

Figura 2.5

Deoarece vaporii de ap ocup ntregul volum V pe care l ocup i aerul umed, umiditatea absolut reprezint densitatea vaporilor dintr-un m3 de aer umed. Apa este n stare de vapori supranclzii aadar se poate aplica ecuaia gazelor perfecte:

vvvvv mTRmVp :/= (2.6) n condiiile n care temperatura aerului umed este egal cu temperatura vaporilor de ap i cu temperatura aerului uscat


ausv TTT == iar constanta apei este kgKJ

MRR

OH

Mv 46218

8315

2

=== ,

dac se mparte relaia (2.6) la masa vaporilor de ap se obine: TR

m

Vp vv

vv =

(2.7)

n condiiile n care volumul ocupat de vaporii de ap este acelai cu cel ocupat de aerul umed vVV = ecuaia de stare devine:

TRvp vvv = (2.8) sau

TRp vvv = (2.9) Rezult expresia umiditii absolute de forma:

== 3m

kgTR

pa

v

vv

(2.10)

Dac se exprim ecuaia de stare ce caracterizeaz vaporii de ap (2.9) pentru starea normal fizic N, rezult:

NvNvN TRp = , (2.11) Din ecuaiile (2.10) i (2.11) rezult raportul ntre presiunea parial a vaporilor de ap supranclzii aflai n starea normal N i presiunea ce caracterizeaz vaporii supranclzii n stare analizat:

TT

RR

pp N

v

v

v

Nv

v

N=

,

(2.12) Din expresia anterioar se poate explicita umiditatea absolut funcie de parametrii ce caracterizeaz vaporii supranclzii de ap i parametrii ce caracterizeaz starea normal N:

TT

pp N

N

vNvv = , (2.13)

tiind c starea normal este caracterizat de:

2101325m

NpN = , KTN 15.273= i NNM

Nvm

kgV

M3

,

,804.0== rezult:

==

aum

vN

N

v

Nvvm

kgvTp

TT

pp

3, 10132515.273804.0 (2.14)


unde densitatea vaporilor n condiii normale se poate explicita prin relaia:

NNMNv

m

kgV

M3

,

,804.0

414.2218

=== (2.15)

2.2.4 Umiditatea absolut maxim

Notaie: s sau as [kgvap/m3] Definiie: Masa de vapori de ap coninut ntr-un m3 de aer umed saturat.

n cazul aerului saturat presiunea parial a vaporilor de ap atinge valoarea maxim adic presiunea de saturaie. Valoarea presiunii de saturaie nu poate fi depit deoarece vaporii de ap din aer ar condensa. Prin urmare plecnd de la relaia (2.14) care exprim umiditatea absolut a aerului nesaturat, umiditatea absolut a aerului saturat sau umiditatea maxim se obine prin nlocuirea presiunii pariale pv cu ps = pvmax presiunea maxim a vaporilor de ap:

= 3804.0 m

kgTT

pp N

N

s

s (2.16)

2.2.5 Umiditatea relativ

Notaie: sau e [ - ], [%] Definiie: Mrimea exprim gradul de saturare a aerului n vapori de ap.

[ ]=

==

s

v

N

N

s

N

N

v

s pp

TT

pp

TT

pp

804.0

804.0

(2.17)

Prin aceast mrime putem evidenia ct de departe este aerul de starea de saturaie n procente.

[ ]%100100 ==ss

v

pp

(2.18)


n situaia n care aerul este uscat, vp presiunea parial a vaporilor de ap este zero, umiditatea relativ devine 0, 0= . Capacitatea aerului de a accepta vapori de ap n acest caz este maxim. n situaia n care presiunea parial a vaporilor de ap este egal cu presiunea de saturaie sv pp = umiditatea relativ este 1,

1= . n acest caz aerul conine cantitatea maxim de vapori de ap, capacitatea aerului de a accepta vapori de ap este nul.

2.2.6 Densitatea aerului umed

Notaie:

kgm3

Definiie: Masa de aer umed coninut ntr-un m3 de aer umed saturat. Plecnd de la definiia densitii se poate scrie:

+=+=

+==

aumvaus

vausvaus

m

kgVm

Vm

Vmm

Vm

3 (2.19) Se observ din expresia (2.17) c densitatea aerului umed are dou componente pe de-o parte densitatea aerului uscat coninut ntr-un m3 de aer umed, aus , i pe de alt parte densitatea vaporilor de ap coninui ntr-un m3 de aer umed sau umiditatea absolut, v . Atenie pentru a simplifica expresia densitii aerului umed presiunea se exprim n mm Hg. Din expresia ecuaiei de stare pentru aerul uscat:

TRp ausausaus = (2.20) n care constanta aerului uscat are expresia:

===

kgKJ

MR

Raus

Maus 2879.28

8315 (2.21)

se obine aus :

Tpaus

aus

=

287 (2.22)

Prelucrnd expresia (2.14) rezult expresia simplificat a umiditii absolute:


===

aum

vvN

N

v

vm

kgvT

pTp

TT

pp

346176015.273804.0804.0 (2.23)

nlocuind n relaia (2.19) relaiile (2.22) i (2.23) se scrie expresia densitii aerului umed:

Tppp vvB 1

461287

+

= (2.24) n care din legea lui Dalton vBaus ppp =

2.2.7 Volumul specific al aerului umed

Notaie:

kgm3

Definiie: Volumul specific reprezint volumul ocupat de un kg aer umed sau inversul densitii aerului umed

+

==

kgmpppTv vvB

31

4612871

(2.25)

2.2.8 Coninutul de umiditate

Notaie: x sau d

kgauskgv

Definiie: Mrimea fizic care exprim masa de umiditate coninut n aerul umed raportat la masa de aer uscat:

=

kgauskgv

m

mx

aus

v (2.26)

Din fig. 2.6 rezult c ntr-o stare termodinamic oarecare 1kg de aer umed conine x kg de vapori de ap, respectiv 1-x kg de aer uscat. La orice modificare a temperaturii aerului cantitatea de vapori de ap x din kg ul de aer umed se poate modifica. Drept urmare toate mrimile de stare ce caracterizeaz aerul umed sunt raportate la 1 kg de aer uscat, nu la 1 kg de aer umed.

ausvausaum mmmm :+=

(2.27)


Observaie: Deoarece cantitatea de umiditate din aer variaz rezult c ntr-un kg de aer umed, n dou stri termodinamice diferite, cantitatea de umiditate poate fi mai mic sau mai mare

Figura 2.6

n funcie de coninutul de umiditate x, i de cantitatea de aer umed aumm rezult:

- cantitatea de aer uscat: x

mm aumaus +=

11

- cantitatea de vapori de ap: x

xmm aumv +

=

1

Dac se scriu ecuaiile de stare pentru aerul uscat i pentru vapori de ap

=

=

ausausausausaus

vvvvv

TRmVpTRmVp

unde vaus

ausv

TTTVVV==

==

(2.28) i se mpart rezult egalitatea:

xRR

pp

RR

m

m

pp

aus

v

aus

v

aus

v

aus

v

aus

v== (2.29)

din care se poate obine expresia coninutul de umiditate x:

v

aus

aus

v

RR

pp

x = (2.30) Din relaia (2.1) rezult presiunea parial a aerului uscat funcie de presiunea aerului umed i presiunea parial a vaporilor de ap:

vBausausvaumB ppppppp =+== (2.31)


Se nlocuiesc n relaia (2.29) constantele ce caracterizeaz aerul uscat Raus i vaporii de ap Rv dar i presiunea parial a aerului uscat (2.30) i se obine:

),(622.0462287

BvvB

v

vB

v ppxpp

ppp

px =

=

= (2.32) Analiznd relaia (2.31) se poate trage concluzia c x, coninutul de umiditate este funcie de presiunea parial a vaporilor de ap.

Dac se ine cont i de (2.17), svs

v pppp

== se

observ c

)(622.0

x

ppp

xsB

s=

= (2.33) este funcie i de umiditatea relativ.

2.2.9 Coninutul maxim de umiditate

Notaie: xs

kgauskgv

Definiie: Coninutul de umiditate al aerului la saturaie sau coninutul maxim de umiditate. Aceast mrime se obine din relaia (2.33) dac se pune condiia de saturaie vs pp = respectiv, 1= :

sB

s

s ppp

x

= 622.0 (2.34)

2.2.10 Umiditatea specific a aerului umed

Notaie:

kgaumkgv

Definiie: Umiditatea specific a aerului umed reprezint cantitatea de vapori de ap coninut de 1 kg de aer umed.


x

x

m

m

m

m

mm

m

m

m

aus

v

aus

v

vaus

v

aum

v

+=

+=

+==

11 (2.35)

2.2.11 Gradul de saturaie al aerului umed

Notaie: [ ] [ ]%; Definiie: Gradul de saturaie este raportul ntre coninutul de umiditate i coninutul maxim de umiditate.

vB

sB

s

v

sB

s

vB

v

s pppp

pp

ppp

ppp

x

x

=

==622.0

622.0 (2.36)

Dintre toate mrimile care exprim umiditatea coninut de aerul umed cel mai des utilizate sunt: umiditatea relativ i coninutul de umiditate.

2.3 Mrimi de stare ce caracterizeaz aerul umed

Avnd n vedere c n afar de presiune, temperatur i densitate au fost definii parametri de stare noi care reflect coninutul de umiditate este util gsirea expresiilor matematice care coreleaz presiunea i densitatea aerului umed cu coninutul de umiditate. Funcie de cantitatea de umiditate coninut i de nivelul de temperatur, aerul umed el poate fi:

- nesaturat T > Ts; < s=100%

- saturat cnd aerul conine cantitatea maxima de vapori T = Ts, = s=100%

- suprasaturat cnd aerul conine o cantitate mai mare de ap dect la saturaie T < Ts. n acest caz surplusul de umiditate


condenseaz. Prezena apei sub forma unor particule mici n stare lichid aflate n suspensie n aerul umed determina pierderea proprietii de transparen a aerului.

2.3.1 Presiunile pariale

- pentru vapori, prin prelucrarea relaiei (2.32) se poate scrie:

( ) vvBvB

v pxpppp

px 622.0622.0 =

= (2.37) rezult presiunea parial a vaporilor de ap funcie de coninutul de umiditate:

622.0+=

x

xpp Bv (2.38) - pentru aerul uscat, prin nlocuirea relaiei (2.38) n (2.1)

622.0+==+=

x

xpppppppp BBvBausausvB (2.39) se poate scrie expresia presiunii pariale a aerului umed:

622.0622.0

+=

xpp Baus (2.40)

De utilitate pentru rezolvarea unor probleme de aer umed pe cale analitic este expresia presiunii de saturaie a vaporilor de ap funcie de temperatura aerului umed [1]:

- pentru temperaturi t < 0

+

+

=t

t

sp7,272

756,97877,210 (2.41)

- pentru temperaturi t > 0

+

+

=t

t

sp241

625,77877,210 (2.42)

exprimate n [Pa]

2.3.2 Cldura specific a aerului umed

Datorit faptului c presiunea aerului umed nu variaz semnificativ n procesele pe care acesta le urmeaz n instalaiile de climatizare i condiionare se utilizeaz cldura specific la presiune constant.


Cldura specific de calcul va fi cldura medie la presiune constant:

=

2

112

1 t

t

ppm dtcttc

Pentru intervalul de temperaturi t=(-50;50)C; p=(720;750)mmHg se pot considera urmtoarele valori medii pentru cldurile specifice la presiune constant pentru aerul uscat i vaporii de ap:

kgKkJ

c paus 06.1= , kgKkJ

c pv 86.1=

n ipoteza n care aerul umed este un amestec de doua gaze perfecte: aer uscat i vapori supranclzii de ap se poate calcula cldura specific a aerului umed cu relaia:

ipip gcc = (2.43) n care pic reprezint cldura specific a componenilor iar ig participaia masic n amestec a componenilor. Participaiile masice pentru aerul uscat i vaporii supranclzii se pot exprima funcie de coninutul de umiditate x:

v

vaus

ausaus

aus gxmm

m

m

mg >

+=

+==

11

(2.44) i

x

x

mm

m

m

mg

vaus

vvv +

=

+==

1 (2.45)

Utiliznd expresiile (2.43), (2.44) i (2.45) rezult expresia cldurii specifice medii la presiune constant:

pvpauspausvpausauspm cx

xc

xcgcgc

++

+=+=

111

(2.46) respectiv:

+

+=

+

+=

kgKkJ

x

x

x

cxcc

pvpauspm 1

86.1006.11

(2.47) Observaie: Cum x


2.3.3 Entalpia aerului umed

n evaluarea entalpiei aerului umed se iau n considerare entalpiile componentelor:

ausvvausausvaus mhmhmHHH :+=+= (2.49) Observaie: Entalpia specific se noteaz cu h1+x sau H pentru a evidenia faptul c mrimea specific este raportat la 1 kg de aer uscat i nu la 1 kg de aer umed, din considerente expuse anterior.

Plecnd de la (2.49) rezult expresia entalpiei specifice a aerului umed

+===+

aus

vaus

aus

x kgkJ

xhhm

HHh1 (2.50) unde: haus entalpia specific a aerului usct [kJ/kgaus] hv entalpia specific a vaporilor de apa [kJ/kgv] n cele ce urmeaz se va nota entalpia specific a aerului umed cu H, rezult:

+=

aus

vaus kgkJ

xhhH (2.51) Pentru domeniile de presiune i temperatura precizate anterior se poate scrie c entalpia aerului uscat este dat de expresia:

==

aus

paus kgkJ

ttchaus

006,1 (2.52) Entalpia vaporilor supranclzii de ap are dou componente, pe de-o parte cldura latent de vaporizare r, aria s111s1, i entalpia vaporilor supranclzii de ap aria s111s1, fig. 2.7:

+=+=

v

pv kgkJ

ttcrhv

86,12500 (2.53)

unde

=

vkgkJ

r 2500 - cldura latent de vaporizare a apei la 0C.


Deci:

( ) ( )*250086,1006,1 ++= txtH

auskgkJ

(2.54)

Figura 2.7

Observaie: Entalpia specific normal a aerului umed, raportat la 1 kg de aer umed se poate determina cu relaia:

vausausausvv

n

iiium h

x

xhx

hghgghh+

++

=+===

111

1 (2.55)

adic: ( ) ( )**

186.12500006.1

x

txthum +++

=

vkgkJ

(2.55) Dac se compara expresiile (*) i (**) se observa c hum H pentru x


( )

++=++=

aus

wsvsausLLvsausss kgkJ

tcxxhxhhxhxhH (2.57) unde:

vsaus hxh + entalpia aerului saturat LL hx entalpia apei n stare lichida

x = xs + xL coninutul de umiditate xs coninutul de umiditate la saturaie xL cantitatea de umiditate condensat xL = x xs cw = 4.185 kJ/kg - cldura specific medie a apei Rezult relaia de calcul a entalpiei aerului suprasaturat se:

( ) ( )

+++=

aus

sss kgkJ

txxtxtH 185,4250086,1006,1 (2.58) Pentru domenii de temperatura mai coborte de 0C, cnd surplusul de umiditate ngheat se poate scrie:

x = xgh + xs xgh = x - xs (2.59) iar expresia entalpiei este:

++=

aus

ghghvsaus kgkJhxhxhH

(2.60) unde:

tcrh ghtopgh += - entalpia gheii

=

ghtop kg

kJr 84,334 - cldura de topire a gheii

cgh = 2.09

KkgkJgh

- cldura specific a gheii

rezult expresia entalpiei specifice a aerului umed pe acest

domeniu n

auskgkJ

:

( ) ( ) ( )txxtxtH ss ++++= 06,284,334250086,1006,1 (2.61)


CAP. 3 Diagrame utilizate n studiul aerului umed

n capitolul precedent au fost stabilite expresiile matematice pentru toate mrimile de stare ce caracterizeaz aerul umed. Relaiile obinute nu sunt foarte complexe ns dificil de reinut i foarte numeroase ceea ce face dificil rezolvarea rapid a unor aplicaii de natura tehnic. Acesta este motivul pentru care majoritatea specialitilor din domeniu au renunat la utilizarea expresiilor analitice in favoarea diagramelor de aer umed n care determinarea mrimilor de stare si a proceselor pe care aerul umed le sufer se face mult mai rapid si sugestiv. n ultimii 5 10 ani a luat avnt utilizarea programelor specializate de calcul a mrimilor de stare pentru aerul umed. Folosirea acestor programe are un avantaj incontestabil, acela de a obine foarte rapid i comod toate mrimile de stare ce caracterizeaz aerul umed i ofer posibilitatea de prelucrare ulterioar a acestora la fel de rapid. Dezavantajul pe care l au este c nu ofer informaii vizuale privind strile sau procesele termodinamice ce caracterizeaz aerul umed, informaii foarte necesare n interpretarea datelor i gsirea unor soluii tehnice corecte i rapide. In prezent exist o gam larg de diagrame de lucru, care din punct de vedere teoretic prezint aceleai informaii n legatur cu mrimile de stare ce caracterizeaz aerul umed. Alegerea diagramei se face dup dou criterii:

tradiia n utilizarea diagramei in zona geografic respectiv comoditatea utilizrii ei

Pentru a putea utiliza eficient diagrama este important s fie neles modul n care a fost conceput. Diagramele cele mai utilizate sunt:

- diagrama H-x - Mollier H [kJ/kgaer uscat] - x [kgv/kgaer uscat] cu varianta H-d - Razim H [kJ/kgaer uscat] - d [gv/kgaer uscat]

- diagrama H-t - Muller Hohn H [kJ/kgaer uscat] - t [0C] - diagrama x-t Carrier x [kgv/kgaer uscat] - t [0C] - diagramele Missenort, Veron, Honeywell sau COSTIC


Observaii: - n toate diagramele entalpia H i coninutul de umiditate x

sunt raportate la 1 kgaer uscat, metoda a fost propus de Carrier in 1911.

- majoritatea diagramelor sunt trasate pentru o presiune atmosferic p=pN=101325 N/m2 presiunea normal considerat la nivelul mrii. O dat cu altitudinea se modific si presiunea, spre exemplu la 1000 m altitudine p90000 N/m2, ca urmare se modific i parametrii i mrimile de stare. Astfel de diagrame sunt utilizabile pentru altitudini de pn la 500 800 m. Peste aceste altitudini se iau n considerare anumii factori de corecie.

3.1 Diagrama H - x sau h1+x - x

Aceasta diagram a fost propus pentru prima oara de Richard Mollier n 1923. Are o arie de rspndire vast in Europa i n Rusia. Pentru trasarea acestei diagrame se utilizeaz coordonatele oblice H = H(x) pentru a se putea distinge curbele de = ct. Dac se calculeaz variaia entalpiei in raport cu coninutul de umiditate, la temperatura constanta se obine:

ttcrx

Hpv

t

+=+=

86,12500 (3.1)

n care ( )txtH ++= 86,12500006,1 (3.2)

- cpaus= 1,006 kJ/kgK, cldura specific a aerului uscat la p = ct;

- r = 2500 kJ/kgK cldura de vaporizare a apei;

- cpv = 1,86 kJ/kgK cldura specific a vaporilor supranclzii de ap

Se observ c izotermele se obin ca drepte de pant variabil. Odat cu creterea temperaturii panta se mrete. De cele mai multe ori izoterma de 0C se consider orizontal ceea ce


determin obinerea unui unghi de aproximativ 135 intre H si x (N).

Figura 3.1 Rezult c diagrama nu este ortogonal ca urmare abscisa dat de direcia ON este rotita pn la direcia Ox. Rotirea abscisei are rolul de a obine o reprezentare familiar n care unghiul ntre OH i Ox este de 900. Ca urmare liniile de entalpie constant H=ct nu vor mai fi verticale ci nclinate cu 45 fa de vertical, fig. 3.1.

Figura 3.2a


n reprezentarea diagramei nu apare axa ON ci abscisa orizontala ON pe care se citete x, iar curbele de H = ct sunt inclinate cu 135 fata de verticala in sensul pozitiv al axei ON. Aa cum subliniam anterior izotermele in domeniul nesaturat se reprezint prin drepte nclinate fa de orizontal cu pant din ce in ce mai mare. n fig. 3.2a linia orizontal pn n curba =100% reprezint izoterma de 0C. Forma izotermelor n domeniul umed sau domeniul de cea sunt determinate de relaia:

( ) tctxxH

lts

==

185,4 (3.3)

n care entaplia are urmatoarea expresie: Hss = 1,006t + (1,86t + 2500)xs + 4,185 (x-xs)t (3.4)

unde:

- xs coninutul de umiditate la saturaie [kgv/kgaus];

- cl = 4,185 kJ/kg - cldura specific a apei n stare lichid;

Rezult c izotermele n domeniul de ceaa sunt caracterizate de o modificare semnificativ de pant, fig. 3.2b.

Figura 3.2b


Dac se realizeaz o analiza similar pentru 0C, n zona n care apa este n stare solid i se pleac de la expresia entalpiei aerului umed lundu-se n calcul entalpia gheii: Hss = 1,006t + (1,86t + 2500 )xs + (334,84+2,09 t ) (x-xs ) (3.5)

n care:

- = 334,84 cldura de topire a gheii [kJ/kg];

- cgh = 2,09 cldura specific a gheii [kJ/kgK];

Pentru 0C se observ o diferen de panta semnificativ ntre izoterma aerului umed n care apa este n stare de vapori, n stare lichid i cea corespunztoare strii solide, fig. 3.2c.

Figura 3.2c

Curba =100% sau =1 se construiete prin puncte calculnd coninutul maxim de umiditate:

sB

s

s ppp

x

= 622,0 (3.6) Expresia presiunii de saturaie pentru diferite domenii de analiz este prezentat in capitolul 2. Se obine o curb similar cu o bucat de parabol, fig. 3.3, care mparte cmpul diagramei n doua: zona de deasupra curbei de saturaie corespunztoare aerului umed nesaturat i zona de


sub curba de saturaie corespunztoare aerului umed suprasaturat. n mod similar se construiesc curbele =ct. Se pleac de la expresia x=x():

sB

s

vB

v

ppp

ppp

x

=

=

622,0622,0 (3.7)

i se obin curbe cu o form similar cu 1 i 2 reprezentate n fig. 3.3:

Figura 3.3

Observaie: Pentru temperaturi mai mari dect temperatura de saturaie, t > ts, curbele de = ct devin verticale deoarece ps pB, nlocuind n expresia (3.7) rezult

=

=1

622,0622,0BB

BBs pp

pxpp (3.8)

Multe din diagramele H-x conin o nomograma pentru determinarea presiunii pariale a vaporilor de ap din aerul umed. n fig. 3.4 este prezentat aceast nomogram care prin linia ajuttoare permite determinarea presiunilor pariale ale apei din aerul umed. Aceasta este construita pe baza relatiei:


x

xpppp

px Bv

vB

v

+=

=

622,0622,0 (3.9)

iar la saturaie utiliznd expresia:

s

s

Bsx

xpp

+=

622,0 (3.10)

Figura 3.4

Pentru o stare oarecare A ce caracterizeaz aerul umed, n fig. 3.4, este prezentata metodologia prin care se poate determina presiunea parial a vaporilor de ap ce caracterizeaz aerul umed cu starea A si respectiv presiunea parial maxim pe care vaporii o pot avea pentru starea de saturaie As corespunztoare lui A.

3.2 Determinarea parametrilor i mrimilor de stare cu ajutorul diagramei H-x

Diagrama H-x se utilizeaz dup o metodologie similar cu cea folosit pentru celelalte diagrame utilizate in domeniul termodinamic cu particularitatea ca liniile de entalpie constant nu sunt verticale ci nclinate cu 450 fa de vertical (atenie diagrama nu este ortogonal). Starea aerului umed poate fi precizat n H-x


la intersecia a doua curbe ce reprezint parametrii sau mrimile de stare ce-l caracterizeaz, fig. 3.5.

Figura 3.5

Aa cum rezult din fig. 3.5, starea A este caracterizata de o mulime semnificativ de parametri si mrimi de stare: tA temperatura termometrului uscat; tAum temperatura termometrului umed; tAR temperatura de rou; xA coninutul de umiditate; xSA coninutul maxim de umiditate; HA entalpia; A umiditatea relativ; pVA presiunea parial a vaporilor de ap; pSA presiunea maxim a vaporilor de ap. Spre deosebire de alte diagrame se observ c sunt mrimi sau parametri de stare care se condiioneaz biunivoc. Dac se grupeaz aceti parametrii dup acest criteriu se pot defini urmtoarele grupe:

Grupa 1: tA temperatura termometrului uscat; pSA presiunea maxim a vaporilor de ap; xSA coninutul maxim de umiditate.


Grupa 2: tAum temperatura termometrului umed; HA entalpia.

Grupa 3: tAR temperatura de rou; xA coninutul de umiditate; pVA presiunea parial a vaporilor de ap.

Grupa 4: A umiditatea relativ.

Este suficient s fie cunoscui doi dintre parametrii din grupe diferite pentru a determina complet starea aerului umed. Grupa 1 este grupa care definete temperatura termometrului uscat. Cunoscnd temperatura aerului umed este cunoscut i presiunea de saturaie respectiv presiunea maxim a vaporilor de ap ce pot fi coninui n aerul umed caracterizat de aceast temperatur. Odat cunoscut presiunea maxim a vaporilor de ap ce pot fi coninui n aerul umed, se cunoate i coninutul maxim de umiditate din aerul umed caracterizat de aceast temperatur. Grupa 2 este grupa definit de temperatura termometrului umed. Cunoscnd temperatura termometrului umed ce caracterizeaz la un moment dat aerul umed se cunoate i entalpia aerului umed la momentul respectiv. Grupa 3 este grupa definit de temperatura termometrului umed. Cunoscnd temperatura termometrului umed este cunoscut coninutul de umiditate din aer n acelai moment i implicit presiunea parial a vaporilor de ap ce caracterizeaz aerului umed la starea dat. Grupa 4 este o grup format dintr-un singur parametru: umiditatea relativ. Aceast mrime nu poate fi determinat pe baza unei relaii biunivoce drept urmare grupa este format dintr-un singur element. Pe baza acestui principiu st determinarea analitic i experimental a umiditii relative. Este suficient s se determine experimental t (din grupa 1) si tum (din grupa 2) pentru a preciza cu exactitate stare aerului umed in diagrama H-x. n fig. 3.6 este


Fig.3.6

prezentat un exemplu n care pentru aerul cu starea M se cunosc tM si tMum i se determin starea M, respectiv M i toate celelalte mrimi.

Figura 3.6

Dac se cunoate tMum HM care la intersecia cu tM starea M.

3.3 Diagrama x-t

In practic aceast diagram este cunoscut sub denumirea de diagrama ASHRE* sau COSTIC** este derivat din diagrama Carrier x-t.

*ASHRE: American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers **COSTIC: Comite Scientifique Technique de LIndustrie du Chauffage de Ventilation et du Conditionement dAir

Asemntor diagramei H-x, diagrama t-x este construit n coordonate oblice, unghiul fiind stabilit de aa manier nct reprezentarea s fie ct mai clar. Particularitile acestei diagrame sunt:

- valorile temperaturii din abscis cresc de la stnga la dreapta;

- unghiul ntre cele dou axe este de aproximativ 92.5.


n fig. 3.7 este reprezentat diagrama x-t i o stare termodinamic oarecare A caracterizat de temperatura tA i coninutul de umiditate xA. Similar diagramei H-x zonele caracteristice ale diagramei x-t sunt separate prin curba de saturaie. Aa cum s-a stabilit teoretic exista o relaie matematic de legtur ntre coninutul de umiditate la saturaie i presiunea de saturaie:

sB

s

s ppp

x

= 622,0 (3.11) Temperaturii, t, i corespunde o presiune de saturaie ps i un coninut maxim de umiditate xs, drept urmare curba de saturaie se poate construi prin puncte t - xs caracterizat de =100% [3].

Figura 3.7

Curbele de = ct, grad higrometric constant, se determina prin puncte utiliznd relaiile:

[ ]%100=s

v

pp (3.12)

622,0+=

x

xpp Bv (3.13)

622,0+=

s

s

Bsx

xpp (3.14)

Din expresiile (3.12), (3.13) i (3.14) rezult


)100(2.62622.0

+

=

s

s

x

xx (3.15)

n care este exprimat n %.

Liniile de entalpie constant se definesc utiliznd relaia:

H = 1,006 t + x (2500 + 1,86 t) (3.16)

Din expresia (3.15) se poate stabili corelaia:

t

tHx

+

=

86,12500006,1

(3.17)

n fig. 3.8.a sunt reprezentate cele trei zone ce caracterizeaz aerul umed: deasupra curbei de saturaie aer umed suprasaturat; sub curba de saturaie aer umed nesaturat i curba de saturaie aer umed saturat.

Figura 3.8a n fig. 3.8.b este reprezentat modul n care se poate determina coninutul maxim de umiditate (la saturaie) corespunztoare starii aerului umed A. Aa cum se observ metodologia este similar cu cea utilizat n cazul diagramei H-x. Coninutul maxim de umiditate fiind condiionat de starea de saturaie corespunztoare temperaturii tA , stare de saturaie se definete la intersecia izotermei tA cu =100%.


Figura 3.8b

Din expresia matematic a entalpiei (3.16) rezult c reprezentarea grafic a acesteia n diagrama x-t se face prin linii oblice. n fig. 3.8c sunt reprezentate liniile de entalpie constant n diagrama x-t.

Figura 3.8c

In fig. 3.9 este reprezentat starea A ce caracterizeaz aerul umed si mrimile de stare corespunztoare acestei stri.


Figura 3.9

3.4 Raza procesului sau raportul de termoumiditate

Orice proces termodinamic ce caracterizeaz aerul umed este definit prin dou componente: pe de-o parte de un schimb de energie sub form de cldur iar pe de alta de un schimb de mas sub form de umiditate. Pentru a analiza la modul general un astfel de proces considerm o transformare termodinamic 1-2. n fig. 3.10 este reprezentat n diagrama H-x un proces termodinamic general definit prin starea iniial 1 i de starea final 2. Transformarea 1-2 pe care aerul umed o realizeaz este caracterizata de:

un schimb de energie sub form de cldur prin variaia de entalpie: Q = dH + Lt ; Lt = -V dp ; p = ct Lt = 0 (3.18)

Deci

Q = dH Q12 = maus H; Q12 >< 0 [ kJ ] (3.19)


Avnd n vedere ca instalaiile de climatizare sau condiionare nu lucreaz cu cantiti finite de aer ci vehiculeaz debite de aer, expresia anterioara devine:

)( 1212 HHmHmQ ausaus == [ kW ] (3.20)

Figura 3.10

un schimb de umiditate: exprimat prin variaia n coninutului de ap

x = x2 - x1 [ kJ/kgaus ] (3.21)

Plecnd de la explicaia anterioar privitoare la faptul c instalaiile de condiionare lucreaz cu debite de aer rezult c n timpul procesului se schimba un debit de ap care plecnd de la relaia (3.21) se determin prin:

)( 12 xxmxmm ausausw == >< 0 [ kg apa/s ] (3.22)

Caracterul transformrii aerului umed n procesul 12 poate fi evaluat prin raportul de termoumiditate - raza procesului:


=

=

=

==

vv

aus

ausaus

aus

w kgkJ

kgkg

kgkJ

xx

HHx

Hxm

Hmm

Q12

1212

(3.23)

Din fig. 3.10 considernd triunghiurile dreptunghice 12D si 1DC se poate scrie:

DD

tg12

1 = ; DDC

tg12

= (3.24)

Prelucrnd relaia anterioar rezult:

=

==+=+x

HDC

DDC

DD

tgtg12

112

21 (3.25)

Din triunghiul 1DC isoscel dreptunghic, rezult:

11

212

1 =

=

== x

H

x

xH

n

n

xn

xnHnD

DCCDD

tg (3.26) dar

HCxDDC

===

21

(3.27) Rezult c geometric 1tg este funcie de raportul de termoumiditate

11 = x

H

n

ntg (3.28)

unde: nH scara pentru entalpie nx scara pentru coninutul de umiditate

Se poate trage concluzia c orice proces pe care-l sufer aerul umed, reprezentat n diagrama H-x este caracterizat de unghiul 1 prin tg1 care este o funcie de raportul de termoumiditate si scara diagramei. Aa cum se observ din fig. 3.11 aceste raze unghiulare au un punct comun de divergen caracterizat de: H = 0; t = 0; x = 0 care poart denumirea de polul diagramei. Sunt diagrame n care polul diagramei poate fi translatat pe vertical.


Considernd o stare oarecare 1 reprezentat n diagrama H-x se observ c diagrama se poate mpri n patru zone delimitate de liniile particulare x = ct = ; H = ct =0, fig. 3.12.

Exist patru tipuri de procese care se pot realiza prin deplasarea din starea 1 n cele patru zone:

I: > 0; H >0; x > 0 procese de preluare de cldur i umiditate; nclzire umidificare

II: < 0; H > 0; x < 0 procese de preluare de cldur cu cedare de umiditate; nclzire uscare

III: > 0; H < 0; x < 0 procese de cedare de cldur i umiditate; rcire uscare

Figura 3.11

IV: < 0; H < 0; x > 0 procese de cedare de cldur cu preluare de umiditate; rcire umidificare.


Observaie: Raza unui proces se construiete n diagrama H-x printr-o paralel la procesul studiat 1-2 dus prin polul diagramei notat cu 0 i caracterizat de H = 0; t = 0; x = 0.

Figura 3.12


CAP. 4 Procese de tratare a aerului umed

Aa cum s-a subliniat n capitolul precedent procesele termodinamice pe care le poate suferi aerul umed se ncadreaz n una din cele patru variante prezentate anterior. Pentru a caracteriza un proces termodinamic oarecare pe care-l sufer aerul umed, spre exemplu ntre strile 1 i 2, se apeleaz la evaluarea urmtoarelor mrimi:

- variaia de entalpie: H = H2 -H1 [kJ/kgaus] (4.1)

- respectiv fluxul de cldur schimbat: )( 12 HHmHmQ ausaus == [kW] (4.2)

- variaia coninutului de umiditate: x = x2 - x1 [kgv/kgaus] (4.3)

- debitul de umiditate schimbat: )( 12 xxmxmm ausausw == [kgv/s] (4.4)

- raza procesului sau raportul de termoumiditate:

12

12

xx

HHxm

Hmm

Qaus

aus

w

=

==

vkgkJ

(4.5)

4.1 Procese caracterizate de x = ct.

Procesele caracterizate de x = ct reprezint procesele n care aerul umed nu-i modific coninutul de umiditate x2=x1, ca urmare:

- variaia de entalpie: H12 = H2 - H1

H12=1,006t2+x (2500+1,86t2)-1,006t1+ x (2500+1,86t1)

(4.6) rezult:

H12 = 1,006 (t2 - t1) + 1,86 x (t2 -t1) H12 = (t2 - t1)(1,006+1,86x)

auskgkJ

(4.7)


- fluxul termic schimbat: )86,1006,1)(( 1212 xttmHmQ ausaus +== [ ]kW (4.8)

- variaia coninutului de umiditate: x12 = x2 - x1 = 0 (4.9)

- debitul de umiditate schimbat: 01212 == xmm ausw (4.10)


==12

1212

wm

Q

(4.11) Dac se analizeaz expresia variaiei de entalpie H se constat c:

- H > 0 pentru t2 > t1, n condiiile n care 1,006+1,86x > 0 +

- H < 0 pentru t2 < t1, n condiiile n care 1,006+1,86x < 0 -

Se constat c funcie de variaia temperaturii n timpul procesului acesta poate fi nclzire sau rcire uscat.

4.1.1 nclzirea uscat a aerului

Acest proces se poate realiza din punct de vedere tehnic prin trecerea curentului de aer peste o suprafa uscat de temperatura tBI mai mare dect temperatura la intrare a aerului. Suprafaa uscat de temperatur ridicat poart denumirea de baterie de nclzire BI, fig. 4.1. nclzirea se poate realiza prin:

- o serpentin prin care circul gaze arse, tga tBI > t1 - o serpentin prin care circul abur, ta tBI > t1 - o serpentin prin care circula orice fluid cu o temperatur tf

tBI > t1. Ex: aer cald, ap cald, agentul termic al unei pompe de cldur, etc.

- o rezistena electric alimentata de la o surs de curent Analiza termodinamic se face plecnd de la reprezentarea procesului n diagrama H-x, fig. 4.2:

- variaia de entalpie: 0)86,1006,1)(( 121212 +== xttHHH (4.12)


- fluxul de cldur schimbat: ( )( )xtt

x

mHmQ aus 86,1006,11 1212 ++==

(4.13)

- unde:

x

mmaus +

=

1

- variaia coninutului de umiditate: 1212 0== xxx (4.14)



+=

==

12

121212

12x

Hm

Qw

(4.16)

Figura 4.1 n practic bateria de nclzire se proiecteaz sau se alege dup parametrii rezultai din calcul adic se iau n considerare condiiile de funcionare: t1, t2, x i m i se calculeaz fluxul de cldur necesar realizrii acestor parametrii 12Q . Plecnd de la aceste date se alege bateria de nclzire. Tot n practic sunt situaii n care se cunoate puterea termic a BI i este necesar s se fac un calcul de verificare a puterii termice prin determinarea temperaturii la ieire t2:

( )( ) [ ]Ctm

xQtt 01212 86,1006,1

1+

++=

(4.17)


Figura 4.2

4.1.2 Rcirea uscat a aerului

Din punct de vedere tehnic, acest proces se poate realiza prin trecerea curentului de aer peste o suprafa uscat de temperatura tBRS mai mic dect temperatura aerului la intrare t1, fig. 4.3.

Figura 4.3 Aceasta suprafa poart denumirea de baterie de rcire prin suprafa BRS i se poate realiza prin:


- o serpentina parcurs de ap rece sau de un fluid cu temperatur tapa tBRS < t1;

- vaporizatorul unei instalaii frigorifice t0 tBRS < t1; cu observaia c agentul frigorific utilizat s nu fie un gaz toxic, inflamabil sau exploziv (spre exemplu NH3) deoarece n cazul unei avarii acesta ar putea fi preluat de debitul de aer care circul prin tubulatura de aer condiionat i introdus n spaii n care se desfoar activitate uman,.

Dup valoarea temperaturii ce caracterizeaz bateria de rcire prin suprafaa se remarc doua cazuri:

a) tBRS tR, temperatura suprafeei BRS este mai mare dect temperatura de rou, figura 4.3.

Procesul 1-2 are loc pe vertical fr a se atinge starea de saturaie ntreaga cantitate de ap din aer rmne n stare de vapori supranclzii. Un astfel de proces este caracterizat din punct de vedere termodinamic de:

- variaia de entalpie: )86,1006,1)(( 121212 xttHHH +==


necesar realizrii acestor parametrii 12Q . Plecnd de la aceste date se alege bateria de rcire. Tot n practic sunt situaii n care se cunoate puterea de rcire a BRS i este necesar s se fac un calcul de verificare a puterii de rcire prin determinarea temperaturii aerului la ieire t2. n aceast situaie se cunosc: Q 12, x i t1 i se determin temperatura final a aerului rezultat n urma procesului de rcire:

( )( )xm

xQtt

86,1006,1112

12+

=

(4.23)

Figura 4.3

b) tBRS < tR, temperatura suprafeei BRS este mai mic dect temperatura de rou, fig. 4.4

n acest caz datorit temperaturii sczute a BRS, tBRS < tR, vaporii de ap care vin n contact cu ea condenseaz. mpreun cu procesul de rcire a aerului se obine i o uscare a acestuia. n aceast situaie aerul se rcete uscat pn la punctul R1 dup care surplusul de ap condenseaz n procesul R1P urmnd curba de saturaie pn la starea P. Starea R1 precizeaz coninutul


maxim de umiditate pe care-l poate conine aerul cu temperatura tP = tBRS. n fig. 4.4 se face analiza acestui proces n diagrama H-x. Aerul rcit izobar dup x = x1 = ct. ajunge n prima etap la starea de saturaie R1 caracterizat de temperatura tR1 iar apoi la cea de suprasaturaie 2, stare instabil. Vaporii de ap n contact cu suprafaa rece condenseaz i se depun sub forma de condens pe suprafaa BRS. Datorit separrii condensului rezult n final aer saturat, punctul P, care se gsete pe aceeai izoterm tBRS cu izoterma de cea ce caracterizeaz starea 2.

Figura 4.4 Teoretic n acest caz, procesul de rcire se poate reprezenta printr-o dreapt cu direcia P1 dar care practic nu se oprete pe curba de saturaie ci ntr-o stare 2 cu t2 > tP = tBRS. Temperatura final este mai mare dect temperatura bateriei de rcire prin suprafa tBRS deoarece pentru realizarea transferului de cldur este necesar o diferen minim de temperatur t2-tBRS. n realitate procesul pe care-l realizeaz aerul umed nu urmeaz dreapta 12 deoarece exist stri ce nu se afla pe ea.


innd cont c temperatura aerului n seciunea de trecere variaz de la temperatura peretelui pn la cea din centrul canalului de curgere se poate considera c:

a) pentru aerul care vine n contact cu BRS procesul are loc pe suprafaa de rcire pn la temperatura tP = tBRS, 2P

b) pentru aerul care nu vine n contact cu BRS procesul de rcire are loc la o distan oarecare de BRS pan la o temperatur mai mare dect tBRS. n aceast zon rcirea nu are loc prin contactul direct cu suprafaa rece ci prin amestecarea straturilor reci de aer aflate n contact cu BRS cu straturile de aer cald care nu vin n contact cu suprafaa rece a BRS.

Avnd n vedere explicaiile anterioare a) i b) la ieirea din BRS aerul are o temperatur medie t2, iar starea final ce caracterizeaz aerul este 2P. Cu ct procesul de rcire este mai eficient (suprafaa de schimb de cldur a BRS mai mare) cu att starea 2 se apropie mai mult de starea P. Din punct de vedere termodinamic un astfel de proces este caracterizat prin:

- variaia de entalpie: H12 = H2 - H1 < 0 (4.24)

- fluxul de cldur schimbat: ( )2112 1 HHx

mHmQ aus +

== (4.25) - variaia coninutului de umiditate:

x12 = x2 x1 < 0 (4.26) - debitul de ap condensat:

xx

mxmm ausw +

==11212

(4.27)


12

121212

12x

Hm

Qw

==

>0 (4.28) Procesul poate fi considerat un proces de rcire (t12 < 0) i uscare (x12 < 0). Observaie: n situaia n care se dorete obinerea unui proces optim de deshidratare se poate apela la un calcul iterativ.


Tangenta n punctul 2 la curba =100% fig.4.5a ofer temperatura teoretic a suprafeei BRS pentru care deshidratarea este maxim. Panta dreptei 12 reprezint raportul ntre capacitatea latent i capacitatea sensibil. Cu ct panta dreptei este mai mic cu att capacitatea latent este mai mare i deshidratarea mai puternic. Dac se consider punctul M ca referin se poate defini GD gradul de deshidratare a aerului raportul ntre cldura latent

latentaQ i cea sensibil sensibilaQ , componentele cldurii 12Q eliminate n procesul de rcire 12:

2

1

HHHH

QQGD

M

M

sensibila

latenta

== (4.29)

Figura 4.5a n care:

H1 = 1,006 t1 + x1 (2500 + 1,86 t1)

11

11

1

11 622,0622,0

sB

s

vB

v

ppp

ppp

x

=

=

ps1=ps1(t1) (4.30)


H2 = 1,006 t2 + x2 ( 2500 + 1,86 t2)

22

22

2

22 622,0622,0

sB

s

vB

v

ppp

ppp

x

=

=

ps2=ps2(t2) (4.31)

Se poate optimiza GD n funcie de temperatura bateriei de rcire tBRS. Se obin un set de curbe GD=f(tBRS, = ct, tamb = ct) GDmax corespunztor valorii optime ale temperaturii tBRSoptim, fig. 4.5b.

Interesant de remarcat este c pentru umiditi relative mari =90% GD are un maxim nu pentru temperaturi minime ale BRS.

Pentru valori ale umiditii relative mici gradul de deshidratare este mai mare pentru temperaturi ale BRS ct mai mici.

Figura 4.5b


4.2 Procese caracterizate de H = ct, izentalpe

Procesele caracterizate de H = ct reprezint procesele n care aerul umed nu-i modific entalpia. Dac se consider procesul de entalpie constant 12 se poate exprima: pentru starea 2 se poate scrie

H2 = 1,006 t2 + x2 ( 2500 + 1,86 t2 ) (4.32) pentru starea 1:

H1 = 1,006 t1 + x1 ( 2500 + 1,86 t1 ) (4.33) Din condiia de entalpie constant H = 0 rezult:

1,006 ( t2 - t1) + 1,86 ( t2x2 - t1x1 ) + 2500 ( x2 - x1 )=0 (4.34) n expresia (4.30) putem identifica urmtoare componente:

- componenta sensibil 1,006 ( t2 - t1) (4.35)

- componenta latent 1,86 ( t2x2 - t1x1 ) + 2500 ( x2 - x1 ) (4.36)

Entalpia rmne constant atta timp ct exist o compensare ntre cele dou componente. Modificarea componentei latente (prin modificarea coninutului de umiditate x) atrage dup sine modificarea componentei sensibile (prin modificarea temperaturii t). Observaie: Avnd n vedere valoarea lui x ponderea cea mai mare n componenta latent o are termenul 2500 ( x2 - x1 ) se neglijeaz termenul 1,86 ( t2x2 - t1x1 ). Ca urmare o modificare prin schimbare de faz a componentei latente x < 0 - condensare uscare sau x > 0 - vaporizare umidificare are ca efect modificarea componentei sensibile prin modificare temperaturii aerului umed t > 0 nclzire sau t < 0 rcire.

- fluxul termic schimbat: 01212 == HmQ aus [ ]kW (4.37)

- variaia coninutului de umiditate: x12 = x2 - x1 (4.38)




012

1212 ==

wm

Q

(4.40) Rezult c procesul izentalpic de umidificare este i un proces adiabat deoarece sursa de energie termic necesar vaporizrii apei este aerul, iar aceasta energie se ntoarce n aer sub forma de entalpie a vaporilor supranclzii. Similar i n cazul procesului izentalpic de uscare a aerului n care cldura rezultat prin condensarea vaporilor de ap din aer o preia tot aerul umed i se manifest prin creterea temperaturii acestuia

4.2.1 Procese de umidificare caracterizate de H = ct

n procesele de umidificare la H = ct, cldura pe care aerul uscat o pierde rcindu-se de la t1 la t2 servete la evaporarea cantitii de umiditate x2-x1, fig. 4.6b, rentorcndu-se odat cu aceasta n aer sub forma latent (cldur latent). Din punct de vedere practic acest lucru este posibil doar prin tratarea aerului cu ap recirculat i poart denumirea de umidificare adiabat. n fig. 4.6a este prezentat schematic un sistem de umidificare prin recircularea apei.

Figura 4.6a Acest proces este caracterizat de: - variaia de entalpie:

H12 = H2 - H1 = 0

auskgkJ

(4.41)


- fluxul de cldura schimbat: == 1212 HmQ aus 0 [kW] (4.42)

- variaia coninutului de umiditate:

x12 = x2 - x1 > 0

aus

v

kgkg

(4.43)

Figura 4.6b - debitul de ap preluat:

1212 112x

x

mxmm ausw +

==

s

kgapa (4.44)


12

1212

wm

Q

= =0

vkgkJ

(4.45)

4.2.2 Procese de uscare caracterizate de H = ct

n practic este utilizat i procesul invers de uscare a aerului la H=ct. Utilizarea unor substane care n stare solida au proprietatea de a retine umiditatea fr a-si modifica compoziia


chimic permite realizarea practic a procesului de uscare la H=ct.. n acest proces energia cedat de aer prin cldura de condensare a vaporilor de ap este preluata tot de aer ceea ce determina creterea temperaturii aerului tratat, fig. 4.7b. n figura 4.7a este prezentat principial un sistem de uscare a aerului.

Figura 4.7a

Acest proces este caracterizat de:

- variaia de entalpie:

H12 = H2 - H1 = 0

auskgkJ

(4.46) - fluxul de cldura schimbat:

== 12HmQ aus 0 [kW] (4.47) - variaia coninutului de umiditate:

x12 = x2 - x1 < 0

aus

v

kgkg

(4.48) - debitul de ap preluat:

1212 112x

x

mxmm ausw +

==

s

kgapa (4.49)


12

1212

wm

Q

= =0

vkgkJ

(4.50)


Figura 4.7b

Pe parcursul acestui proces de uscare aerul se nclzete, n situaia n care nclzirea incomodeaz se poate face o rcire uscata 23, fig. 4.7b pn la t3 = t1. Procesul de adsorbie al apei de ctre aceste substane este un proces reversibil. Prin renclzirea ulterioar a substanei se evapor apa coninut, substana i recapt proprietatea de adsorbie. Capacitatea de adsorbie este condiionat de viteza de trecere a aerului, de temperatura absorbantului, de porozitatea acestuia i de gradul de saturare al acestuia. Substanele solide adsorbante cele mai cunoscute sunt:

- granulele de silicagel (SiO2) ele pot fixa pana la 25% din greutatea proprie, apoi capacitatea de adsorbie scade rapid pn la saturaie 30%. Uscarea aerului cu viteze de 0.3 0.5 m/s se face cu straturi de 50 70 cm de silicagel. Pentru 1 kg de silicagel cu densitatea de 600 500 kg/m3 se poate trata un debit de 35 40 m3/h.

- alumogelul (Al2O3) este caracterizat de o capacitate de adsorbie de circa 18 24%.


n aplicaiile practice este preferat silicagelul deoarece pentru regenerare se nclzete la 150C n timp ce alumogelul la 180 350C. Ca urmare a faptului ca substana trebuie regenerat acest sistem de uscare necesit utilizarea unui circuit auxiliar de regenerare pentru a nu fi necesar oprirea instalaiei de tratare. n fig. 4.8 este prezentat un astfel de sistem.

Figura 4.8

4.3 Procese caracterizate de t = ct n zona nesaturat

Plecnd de la condiia de temperatur constant, t1=t2 pentru un proces oarecare 12 din zona nesaturat se poate scrie:

H2 = 1,006 t + x2 ( 2500 + 1,86 t ) (4.51)

H1 = 1,006 t + x1 ( 2500 + 1,86 t ) (4.52) rezult:

H12 = H2 - H1 = ( 2500 + 1,86 t ) ( x2 - x1 ) H12 = ( 2500 + 1,86 t ) x12 (4.53)

- fluxul termic schimbat: ( ) 1212 86,12500 xtHmQ aus +== [ ]kW (4.54)

- variaia coninutului de umiditate: x12 = x2 - x1 (4.55)

- debitul de umiditate schimbat: 1212 xmm ausw = (4.56)


- raza procesului sau raportul de termoumiditate: ( )

vhtx

xt

x

H=+=

+

=

= 86,1250086,1250012

1212 (4.57)

Din expresia precedent rezult c procesele izoterme au loc dup o raz a procesului egal cu entalpia vaporilor supranclzii din aer. Ca i n cazul proceselor la H=ct, procesele la t=ct pot fi nsoite de creterea coninutului de umiditate (x > 0 umidificare) sau de scderea coninutului de umiditate (x < 0 uscare).

4.3.1 Procese de umidificare caracterizate de t = ct

n procesele de umidificare la t = ct vaporii de ap trebuie s fie injectai direct n aerul umed pentru a nu consuma din energia acestuia. Ca urmare din punct de vedere tehnic singura variant este de a injecta abur direct n curentul de aer, figura 4.9a.

Figura 4.9a Aburul produs de generatorul G este injectat direct n curentul de aer, ca urmare coninutul de umiditate al aerului crete de la x1 la x2. Cu ct debitul de abur injectat este mai mare cu att starea 2 este mai apropiata de starea P adic de saturaie. Procesul este caracterizat de urmtoarele mrimi:

- variaia de entalpie: H12 = H2 - H1 = ( 2500 + 1,86 t ) ( x2 - x1 ) H12 = ( 2500 + 1,86 t ) x12

auskgkJ

(4.58)


Fig. 4.9a

Se observ c termenul 2500+1,86t > 0, ca urmare semnul variaie entalpiei este determinat de cel al coninutului de umiditate.

Figura 4.9b - fluxul de cldur schimbat:

== 1212 HmQ ausx

m

+1 ( 2500 + 1,86 t ) x12 [ kW ] (4.59)


x12 = x2 - x1 > 0

aus

v

kgkg

12H >0 (4.60) - debitul de umiditate injectat:

1212 112x

x

mxmmm ausaburw +

===

s

kgv (4.61)

- raza procesului sau raportul de termoumiditate: ( )

vhtx

xt

x

H=+=

+

=

= 86,1250086,1250012

12

12

1212 (4.62)

Avantajele utilizrii aburului n raport cu apa sunt: - dispersia n curentul de aer a aburului se face foarte bine;


- din punct de vedere sanitar aburul e un agent mult mai curat dect apa;

- sistemul cu abur e mult mai compact pentru ca n prezent exista generatoare de abur miniaturizate i perfect automatizate care se pot monta n ncpere sau lng tubulatura de aer condiionat aproape de zona n care se face injecia n curentul de aer.

4.3.2 Procese de uscare caracterizate de t = ct

Procesul de uscare la temperatur constant se poate face din punct de vedere practic prin tratare cu soluii apoase de clorur de calciu CaCl2, clorur de litiu LiCl sau de clorur de magneziu MgCl. Spre deosebire de deshidratarea cu substane solide n acest caz procesul are loc la = hv. n acest caz cldura de condensare este preluat de soluie. Prin condensarea vaporilor de ap soluia se dilueaz i i pierde caracteristica de absorbie. Regenerarea se face prin nclzire sau prin adugare de sruri. Schema teoretic a unui astfel de sistem este prezentat n fig. 4.10a.

Figura 4.10a Procesul este caracterizat de urmtoarele mrimi:

- variaia de entalpie:


H12 = H2 - H1= ( 2500 +1,86 t ) x12

auskgkJ

(4.63) - fluxul de cldur schimbat:

( ) 121212 86,125001 xtxmHmQ aus ++==

[ kW ] (4.64)


x12 = x2 - x1 < 0

aus

v

kgkg

12H


4.4 Procese caracterizate de t = ct n zona de cea

n zona suprasaturata figura 4.11 starea aerului este nestabil fiind compus din:

- aer saturat cu starea A, la intersecia tA =100%; - particule de ap n stare lichid ce formeaz ceaa dac tA >

0C i particule de ghea dac tA < 0C.

Figura 4.11

Starea A nestabil caut s ating o stare stabil care n acest caz este A la saturaie astfel nct se separa umiditatea x = xA-xA. Practic aerul saturat ct i particulele lichide au aceeai temperatura. Cum variaia de entalpie corespunztoare procesului de separare a apei este:

HAA = cw tA xAA (4.68)

unde cw = 4,185

kgKkJ

- cldura specific a apei n stare lichid


AAwAw

AA

AAAA ttc

x

xtc

x

H==

=

= 185,4'

'

'

kgvkJ

(4.69)

4.5 Procese care se desfoar dup o direcie paralel cu izoterma t = 0C

Un caz particular n ceea ce privete transformrile aerului umed l reprezint procesele care se desfoar dup o direcii paralele cu izoterma t = 0C. Plecnd de la expresia entalpiei aerului umed:

H = 1,006 t + x ( 1,86 t +2500)

auskgkJ

(4.70) n cazul n care se consider procesul 12 paralel cu izoterma t = 0C se poate evalua variaia de entalpie n timpul procesului plecnd de la entalpiile strilor 1 i 2:

H1 = 2500 x1

auskgkJ

(4.71)

H2 = 2500 x2

auskgkJ

(4.72)

H12 = 2500 ( x2 - x1 ) = 2500 x12

auskgkJ

(4.73) Fluxul de cldur ce caracterizeaz procesul 12:

121212 12500 x

x

mHmQ aus +==

auskgkJ

(4.74) Variaia coninutului de umiditate n acest proces este:

x12 = x2 - x1

auskgkJ

(4.75) Debitul de umiditate schimbat n procesul de tratare 12 este

1212 112x

x

mxmm ausw +

==

s

kg (4.76)


Ca urmare raza procesului sau raportul de termoumiditate n cazul proceselor care se desfoar dup o direcie paralel cu izoterma de 00C este:

2500250012

12

12

1212 =

=

=

x

x

x

H

kgvkJ

(4.77)

4.6 Amestecul a dou cantiti de aer umed

Procesul de amestecare a dou debite de aer este foarte des ntlnit n instalaiile de condiionare n care se urmrete controlul cantitii de noxe prin aportul de aer proaspt. n aceste instalaii o parte din aerul viciat provenit din spaiile de condiionat este recirculat. Debitul de aer recirculat este reintrodus n spaiul condiionat dup ce n prealabil este amestecat cu un debit de aer proaspt adus din mediul ambiant ntr-o pondere care asigur un nivel de noxe sczut n spaiul condiionat. Prin amestecarea celor dou debite se obine:

- reducerea cantitii de noxe din spaiul care necesit a fi condiionat;

- reducerea consumului de energie comparativ cu situaia n care s-ar utiliza numai aer proaspt.

Spaiul n care are loc amestecul celor dou debite de aer este denumit tehnic camer de amestec se noteaz cu CA. Debitul de aer care nu este recirculat este evacuat n mediul ambiant ca aer viciat. n spaiile condiionate mici sau care nu necesit un control al nivelului de noxe se utilizeaz instalaii de condiionare cu recirculare total, aportul de aer proaspt se realizeaz prin deschiderea ferestrelor sau uilor. n spaiile n care degajrile de noxe sunt foarte mari sau se impun condiii foarte stricte legate de igiena aerului (coninutul de noxe sau mirosuri) se introduce integral aer proaspt. Dup zona n care rezult starea aerului amestecat se evideniaz doua cazuri:

amestecul de aer este aer nesaturat; amestecul de aer este aer suprasaturat.


Analiza procesului de amestecare a dou sau mai multe debite de aer se face plecnd de la:

bilanul masic; bilanul energetic

In fig. 4.12 este prezentat teoretic o camer de amestec n care se amestec dou debite de aer cu urmtoarele caracteristici:

- debitul de aer uscat cu starea 1: ;;;;;1 11111

1 Htxx

mmaus +

=

- debitul de aer uscat cu starea 2: ;;;;;1 22222

2 Htxx

mmaus +

=

i rezult: - debitul de aer cu starea M obinut n urma amestecului:

;;;;;1 MMMMM

ausM Htxx

mm

+=

Avnd n vedere c att entalpia specific a aerului umed este raportat la 1kg de aer uscat bilanul energetic este i el raportat la debitul de aer uscat. Bilanul energetic se obine din expresia principiului I al termodinamicii pentru sisteme deschise:

pauscaustausausaus demdemlmdhmqm +++= (4.78) n care se neglijeaz variaia energiei cinetice i poteniale (avnd n vedere c seciunile de intrare i ieire a aerului sunt comparabile iar cota la care intr i iese aerul din camera de amestec este aproximativ aceeai):

tausausaus lmdhmqm += (4.79) Avnd n vedere c amestecul se desfoar cu o vitez mare iar CA este izolat se poate neglija termenul n cldur:

tausaus lmdhm +=0 (4.80) Cum procesul de amestecare are loc la presiune constant dp=0 termenul n lucru mecanic tehnic se neglijeaz i rezult:

dhmaus = 0 (4.81) Forma final a bilanului de energie este:

21 HHH M += [ ]kW (4.82) i a bilanului masic:


21 mmmM +=

s

kg aum (4.83)

Figura 4.12

4.6.1 Amestecul n domeniul nesaturat

In f

conditionare

Documents