rcitoare de aer si baterii de rcire - tmt.ugal.ro · pdf filestropirea măreşte suprafaţa de...

URăcitoare de aer prin suprafaţă

13. Răcitoare de aer şi baterii de răcire

Prin răcitoare de aer (RA) se înţeleg aparatele schimbătoare de căldură destinate răcirii şi uneori uscării aerului, în circulaţie forţată [1, pg 164]. Aceste aparate pot fi construite şi pentru răcirea diferitelor gaze tehnologice, la presiuni normale, care conţin sau nu vapori ai diferitelor substanţe.

1. În funcţie de scopul răcirii aerului şi a condiţiilor de temperatură, se pot delimita câteva domenii de utilizare a RA: 1.1. condiţionarea de confort a aerului sau condiţionarea tehnologică în

industrie (de exemplu în secţiile de mecanică fină, metalurgie, aparate de măsură, producţia de semiconductori etc);

1.2. condiţionarea tehnologică a aerului în industria alimentară; 1.3. răcirea aerului în camerele de depozitare a produselor răcite

(refrigerate) sau tuneluri de congelare; 1.4. răcirea aerului în camerele de depozitare a produselor congelate; 1.5. răcirea aerului în instalaţii de temperaturi joase (camere de încercări

climatice pentru autovehicule, aparate electrice, etc.). 2. După modul de răcire a aerului RA se împart în:

2.1. RA prin suprafaţă (uscate), 2.2. RA prin contact (umede) 2.3. RA combinate.

Cele mai utilizate sunt RA prin suprafaţă. În aceste aparate aerul cedează căldură agentului frigorific sau agentului intermediar, care curge prin interiorul ţevilor. Aparatul, în ale cărui ţevi fierbe agentul frigorific, se numeşte RA cu acţiune directă (aparat cu răcire directă) şi are rolul vaporizatorului în schema instalaţiei frigorifice. Aparatele în ale căror ţevi curge apă rece sau saramură (agentul intermediar) se numesc cu acţiune indirectă. RA prin suprafaţă se pot executa din ţevi netede sau nervurate. Nervurarea permite în mod simţitor micşorarea rezistenţei termice la trecerea căldurii prin convecţie de la aer pe suprafaţa exterioară a ţevilor şi construcţia unui aparat mult mai compact. Într-o serie de cazuri apare justificată utilizarea ţevilor nervurate şi în interior. În Tabelul 13.1 se dau câteva date ce caracterizează condiţiile de funcţionare a RA şi domeniile corespunzătoare de utilizare.

Tabelul 13.1 Condiţii de funcţionare a RA Nr. crt.

Domeniul de utilizare

Temp t1 °C

Umidit relativă

ϕ

Temp pct de rouă

tr °C

Coef de termoumid ε kJ/kg

Separ umid

Acţ de uscare neces

1. Condiţionare de confort şi tehnologică

20…30 0,4…0,6 6…21 2300…4600 Roua mare

2. Condiţionare 10…15 0,7…0,9 5…13 500…3500 roua mare

1

Răcitoare de aer şi baterii de răcire

tehnologică în industria alimentară

3. Camere de depozitare produse refrigerate

-5…+5 0,8…0,9 (-8)…(+3) 1100…6000 zăpada mică

4. Camere de depozitare produse congelate şi tunele de congelare

-30…-15 0,85…0,95 - 3500…8100 - -

5. Instalaţii de temperatură scăzută

-80…-50 - -

În RA prin contact aerul este în contact direct cu agentul intermediar de răcire, cel mai adesea apa. Din punct de vedere constructiv ele se execută cu pulverizare sau cu umplutură stropită; se pot construi RA prin contact ce funcţionează în regim cu formare de spumă.

combinateprin suprafatã(uscate)

prin contact(umede)

Rãcitoarede aer

rãcire directã(ag frig)

rãcire cu apãsau ag interm

tevi netede tevi nervurate

rãcire cu apã rãcire cu aginterm

stropireatevilor de sus

sau lateral

umezireatevilor de josprin spumare

cu formare despumãcu pulverizare cu umpluturã

stropitã

Figura 13.1 Clasificarea răcitoarelor de aer În RA de tip combinat agentul frigorific fierbe în interiorul ţevilor. Pe suprafaţa exterioară a ţevilor curge pelicular saramura sau altă soluţie, care are temperatura scăzută de solidificare. În RA ale instalaţiilor de condiţionare este posibilă stropirea ţevilor cu apă. Stropirea măreşte suprafaţa de schimb care primeşte căldură de la aer. În afară de aceasta, în RA de temperatură scăzută, agentul intermediar împiedică formarea stratului de zăpadă pe ţevi. În unele cazuri umezirea ţevilor se poate realiza cu ajutorul spumei, care se formează prin insuflarea aerului în cuva RA. Schema principală de clasificare a RA se prezintă în Figura 13.1. Aparatele folosite pentru răcirea aerului în încăperi, în care lipseşte circulaţia forţată a aerului, se numesc baterii de răcire (BR). Răcirea aerului se poate realiza cu agent frigorific care fierbe sau cu agent intermediar. Ele se montează în partea superioară a încăperii unde aerul este mai cald. Schimbul de căldură la mişcarea liberă a aerului pe suprafaţa acestor utilaje în tehnică frigului se numeşte "răcire liniştită". 2


13.1 Răcitoare de aer prin suprafaţă • Constructiv, există RA cu suprafeţe netede sau nervurate. Umiditatea se depune pe pereţi sub formă de rouă dacă temperatura peretelui (tp) este mai mică decât temperatura punctului de rouă (tr) dar pozitivă; dacă tp < 0 °C, umiditatea (apa) se depune sub formă de brumă (zăpadă) sau gheaţă. Din această cauză suprafaţa umedă, suflată de aer, este supusă unui proces intens de coroziune, ceea ce impune protecţie anticorozivă.

RA cu ţevi netede se folosesc în prezent foarte rar. Utilizarea lor este justificată atunci când odată cu răcirea aerului este concomitent necesară şi uscarea lui pronunţată. În acest caz temperatura suprafeţei exterioare a aparatului cu ţevi netede fiind mai mică decât temperatura medie a suprafeţei exterioare nervurate permite o condensare mai puternică a umidităţii în procesul de răcire a aerului. Uneori este necesară utilizarea aparatelor cu ţevi netede din cauza umidităţii ridicate a aerului prelucrat şi respectiv a depunerii masive de zăpadă sau formarea gheţii pe suprafaţa ţevilor. Viteza aerului în secţiunea îngustă a RA cu ţevi netede se adoptă până la 6 m/s pentru temperaturi joase şi până la 12 m/s pentru temperaturi medii. RA cu ţevi netede cu saramură, executate din ţevi de 42x4 mm (OL), aflate în exploatare în prezent la unele frigorifere se înlocuiesc cu RA nervurate, ca fiind mai compacte şi cu un consum de metal mai redus.

RA nervurate se execută de obicei din ţevi rotunde de OL, Cu sau Al. În unele cazuri, când este necesar a se influenţa sau modifica substanţial anumite caracteristici ale fasciculului de ţevi nervurate, cum ar fi compactitatea sau rezistenţa aerodinamică, se pot folosi ţevi plate, ovale sau ovoidale. În acest caz trebuie să se ţină cont că mărirea presiunii peste 15…20 bari în interiorul ţevilor cu pereţi subţiri cu secţiune diferită de cea circulară, poate conduce la deformaţii şi la distrugere.

• După dispunerea ţevilor în fascicul se pot deosebi schimbătoare de căldură cu aşezarea ţevilor în coridor (în paralel) sau decalat (în şah/eşichier).

13.1.1 Suprafeţe de schimb de căldură ale RA nervurate Clasificare: 1. După tipul nervurii utilizate în RA, suprafeţele nervurate pot fi:

1.1. lamelare; 1.2. nervurate prin înfăşurarea unei benzi metalice (spiralare); 1.3. prin roluire; 1.4. nervuri individuale presate (de formă circulară, dreptunghiulară,

pătrată). 2. Din punct de vedere al contactului dintre ţeavă şi nervură se deosebesc:

2.1. nervuri monolit, când acestea se obţin prin turnare sau roluire ulterioară (rezistenţă termică de contact nulă);

2.2. nervuri aplicate, când acestea se confecţionează separat, adesea chiar din alt metal, şi se presează strâns pe ţeavă (poate apare rezistenţă termică de contact).

3


Tipurile de nervuri sunt arătate în Figura 13.2 şi Figura 13.3.

Nervura lamelară este mult utilizată în construcţia RA. În România se produc aparate cu acest tip de nervuri la Tehnofrig Cluj-Napoca, Frigocom Bucureşti, Frigotehnica Bucureşti, IAIC Alexandria. Nervurile fără guler se fac cu grosimea de minim 0,4…0,5 mm, din oţel moale, alamă, duraluminiu; nervuri cu guler ştanţat - din Al moale cu grosimea de 0,2…0,3 mm. Pasul nervurilor în aparatele care funcţionează la temperaturi pozitive ale suprafeţei se alege de la 2 la 4,5 mm. În aparatele care funcţionează în regim de formare a zăpezii, pasul nervurilor ajunge la 10…15 mm. Ţevile RA cu nervuri lamelare sunt de obicei din Cu cu diametru de la 9x0,5 mm până la 18x1 mm sau din OL cu diametre de 18x2 până la 25x2,5 mm. Ţevile RA navale, care funcţionează cu apă de mare, se execută din melchior sau din alte aliaje asemănătoare.

Figura 13.2 Tipuri de suprafeţe nervurate

a. nervuri spiralate roluite; b. nervuri individuale presate; c. nervuri spiralate elicoidale; d. nervuri lamelare;

4


În unele cazuri pasul nervurilor la RA cu suprafeţele nervurate lamelare se micşorează până la 1,8 mm, nervurile se fac din Al cu grosimea de 0,2…0,3 mm. Pentru intensificarea schimbului de căldură prin convecţie pe suprafaţa exterioară, se folosesc tot mai mult lamele ambutisate în zig-zag sau ondulat, perpendicular pe direcţia curentului pentru turbulizarea aerului (Figura ).

Figura 13.3 Tipuri de nervuri

a. spiralată; b. roluită; c. individuală pătrată; d. individuală rotundă cu guler

De o deosebită importanţă la fabricarea suprafeţei nervurate lamelare este asigurarea unui contact termic bun între nervură şi ţeavă. În cazul utilizării ţevilor din Cu, contactul termic bun se realizează prin dilatarea ţevii după introducerea nervurilor. O metodă de deformare plastică a ţevilor constă în trecerea unei sfere (bile), a cărei diametru este cu 0,5 mm mai mare decât di. Această metodă dă rezultate bune şi în cazul utilizării unor nervuri mai groase din metal mai dur. Se mai pot utiliza nervuri subţiri din Al, la care se prevăd borduri (gulere) pentru mărirea suprafeţei de contact cu ţevile. Aceste gulere servesc în acelaşi timp pentru fixarea distanţei dintre nervuri la presarea lor pe ţeavă. Mărirea diametrului ţevii, în acest caz, este mai bine să se facă prin metode hidraulice, introducând în ţevi ulei cu presiunea până la 200 bar. Unele firme au elaborat tehnologia de

Figura 13.4 Tipuri de lamele ambutisate

5


fabricare a suprafeţelor lamelare monolit din Al, cu acoperire anticorozivă exterioară (anodare, acoperire cu lac, etc.) Dacă se utilizează ţevi şi nervuri din OL, atunci, pentru îmbunătăţirea contactului dintre nervuri şi ţeavă, după asamblare se supun zincării la cald. Suprafeţele din ţevi din Cu şi nervuri din Cu sau alamă se pot lipi după asamblare. Legarea ţevilor în serpentină se realizează cu ajutorul coturilor care se lipesc sau se sudează. Unele firme execută îmbinarea ţevilor cu coturile cu ajutorul unor răşini epoxidice speciale, ceea ce micşorează durata operaţiilor şi permite utilizarea ţevilor din Al în locul celor de Cu. Pentru a micşora numărul îmbinărilor la formarea serpentinei plane se utilizează ţevi în formă de U.

Suprafeţele nervurate prin spiralare se obţin prin înfăşurarea unei benzi din oţel, aluminiu sau cupru pe ţevi, cu ajutorul unor dispozitive montate pe maşini speciale sau chiar pe strunguri. Întrucât lungimea marginii exterioare a nervurii este cu mult mai mare decât la bază, partea interioară a benzii trebuie cutată (gofrată) preliminar sau chiar în procesul înfăşurării. Nervurile obţinute prin spiralare se utilizează într-o gamă variată de dimensiuni. În unele RA cu apă pentru instalaţii de condiţionare centrală sau locală se folosesc, de exemplu, ţevi din OL cu diametru Φ 22x2 cu nervuri spiralate din bandă de oţel cu înălţimea de 10 mm şi grosimea de 0,4 mm. Pasul nervurilor este de 4 mm. După înfăşurarea nervurilor, ţevile se supun operaţiei de zincare la cald. Pentru confecţionarea RA cu amoniac sau saramură, utilizate la frigorifere de mare capacitate, s-au folosit ţevi din oţel cu diametre de Φ 57x3,5, Φ 38x3 (38x2,25) şi 32x2,25 nervurate prin spiralare din bandă de oţel cu lăţimea de 30 mm şi grosimea de 1 mm. Pentru mărirea duratei de funcţionare a RA între două decongelări succesive, pasul nervurilor la primele ţevi pe direcţia curentului de aer este de 30 mm iar la celelalte de 20 mm.

Suprafeţe nervurate prin roluire sau extrudare se obţin prin prelucrarea nervurilor din ţevi de Al sau Cu cu pereţii groşi. Prin roluirea ţevilor din Al cu grosimea iniţială a pereţilor de 5 mm se pot obţine suprafeţe cu nervuri de secţiune trapezoidală şi grosimea peretelui ţevii după roluire de 1,5…2 mm. În Tabelul 13.2 sunt redate câteva caracteristici ale suprafeţelor nervurate prin roluire.

Tabelul 13.2Unele caracteristici ale suprafeţelor nervurate prin roluire. Diam ţevii

Grosimea periferie

nervurii baza

Pasul nervurii

Înălţimea nervurii

Si1 Se1 Coef. de nerv (β)

Masa specif. a supraf

[mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [m2/m] [m2/m] - [kg/m2] 17,5x2 0,5 1,5 3,6 7,0 0,055 0,61 11,1 1,12

28x2 0,6 1,1 3,5 10,5 0,066 0,79 12,0 3,3428x2 0,6 1,1 3 14,0 0,066 1,29 19,6 2,54

Suprafeţele nervurate, obţinute prin presarea individuală a nervurilor (nervuri separate), se utilizează foarte rar din cauza manoperei mari necesare pentru confecţionare.

6


13.1.2 Tipuri de nervuri spiralate Principalele tipuri de nervuri spiralate sunt prezentate în Figura 13.5.

Figura 13.5 Nervuri spiralate

Nervură tip 'L' (a.). Materialul benzii este supus deformării controlate, pentru obţinerea presiunii optime între piciorul nervurii şi ţeava de bază maximizându-se astfel proprietăţile de transfer termic. Gulerul nervurii măreşte considerabil protecţia la coroziune a ţevii de bază. Materialul nervurii poate fi aluminiul sau cuprul, iar pentru cel al ţevii de bază nu există restricţii.

Nervură tip 'G' - (îngropată) (b.). Banda de tablă este înfăşurată într-un canal săpat în materialul ţevii şi fixată rigid prin acoperirea "rădăcinii" cu materialul ţevii de bază. Acest lucru asigură un contact bun între ţeavă şi nervură la temperaturi ridicate. Materialul nervurii poate fi aluminiul sau cuprul, iar cel al ţevii de bază oţelul carbon, oţelul Cr-Mo, oţelul inox, cuprul, aliajele din cupru, etc.

Nervură tip 'KL' (c.). Produsă exact ca şi tipul 'L' cu deosebirea că ţeava de bază este uşor nervurată longitudinal înainte de aplicarea piciorului nervurii. La presarea piciorului nervurii, datorită rizurilor, este îmbunătăţit contactul, ceea ce duce la caracteristici superioare de transfer de căldură. Materialul nervurii poate fi aluminiul sau cuprul, iar pentru cel al ţevii de bază nu există restricţii.

Nervură tip 'LL' (d.). Produsă exact ca şi tipul 'L' cu deosebirea că piciorul nervurilor se suprapune parţial şi acoperă complet ţeava de bază, mărind considerabil protecţia la coroziune a acesteia. Acest tip de nervură este folosit adesea în locul nervurilor extrudate (care sunt mai scumpe) în medii corozive. Materialul nervurii poate fi aluminiul sau cuprul, iar pentru cel al ţevii de bază nu există restricţii.

7


Nervură extrudată (roluită) înaltă (e.). Acest tip este format dintr-o ţeavă bimetalică compusă dintr-o ţeavă exterioară de aluminiu şi o ţeavă interioară din aproape orice material. Prin roluirea materialului ţevii exterioare se realizează o nervură cu excelente proprietăţi de transfer de căldură şi longevitate. Nervurile extrudate oferă o excelentă protecţie la coroziune a ţevii de bază. Materialul nervurii este aluminiul, iar pentru cel al ţevii de bază nu există restricţii.

Nervură tip semipliată (f.). Această nervură se obţine prin înfăşurarea unei benzi de tablă pe ţeava de bază; în urma acestui proces rezultă o zonă pliată la piciorul nervurii. Nervura este apoi sudată de ţeava de bază. Materialul nervurii poate fi oţelul carbon/inox sau cuprul, iar cel al ţevii de bază oţelul carbon/inox sau aliaje de cupru.

13.1.3 Caracteristici geometrice ale RA cu suprafeţe nervurate Aceste caracteristici sunt următoarele:

• Sn1 - suprafaţa nervurilor pentru 1 m liniar de ţeavă [m2/m] • Sb1 - suprafaţa ţevii între nervuri pentru 1 m liniar de ţeavă [m2/m] • Se1 - suprafaţa exterioară totală pentru 1 m liniar ţeavă [m2/m] • Si1 - suprafaţa interioară totală pentru 1 m liniar ţeavă [m2/m] • β - coeficient de nervurare, • AF - secţiunea frontală a aparatului [m2] • Aa - secţiunea liberă de curgere a aerului [m2]

Secţiunea frontală a aparatului AF = B⋅H, m2 (vezi Figura 13.7). Pentru un ventilator B≈H.

H = m⋅s1 (1.1) unde: m - număr de ţevi dintr-un plan perpendicular pe curentul de aer; Relaţiile de calcul pentru aceste mărimi la diverse tipuri de suprafeţe nervurate se prezintă mai jos.

Nervuri lamelare:

Sn1 = 2u⋅⎣⎢⎡

⎦⎥⎤s1 ⋅ s2 -

π4(d2

e + d2g) = 2u⋅⎣⎢

⎡⎦⎥⎤Bn ⋅ Hn

n1 - π4(d2

e + d2g) (13.2)

Sb1 = π · deu ( u - δn ) = π·de⎝⎜

⎛⎠⎟⎞1 - δn

u (13.3)

Aa = AF ⋅( )s1 - de ⋅( )u - δn

s1⋅u = AF ⋅⎝⎜

⎛⎠⎟⎞1 - de

s1⋅⎝⎜⎛

⎠⎟⎞1 - δn

u (13.4)

Nervuri spiralate:

Sn1 = 2u⋅⎣⎢⎡

⎦⎥⎤π(D2 - (D - 0.8 · h)2)

4 + π · 0.6 · h · (de + 1.2 · h) (13.5)

Sb1 = π · deu ⋅ ⎝⎜

⎛⎠⎟⎞u - Dde

⋅ δn = π·de ⎝⎜⎛

⎠⎟⎞1 - Dde

⋅ δnu (13.6)

Aa = AF ⋅⎝⎜⎜⎛

⎠⎟⎟⎞

1 - de + 4.4⋅h⋅δn

us1

(13.7)

Nervuri roluite:

8


Sn1 = 2u⋅⎣⎢⎡

⎦⎥⎤π

4 · (D2 - d2e) (13.8)

Sb1 = π · deu ( u - δnb ) = π · de ⎝⎜

⎛⎠⎟⎞1 - δnb

u (13.9)

Aa = AF ⋅⎝⎜⎜⎛

⎠⎟⎟⎞

1 - de + 2⋅h⋅δn

us1

(13.10)

unde:

• Bn, Hn, n1 - dimensiunile unei lamele (nervuri) cu n1 orificii de diametru de; • dg - diametrul găurii de uşurare; • δnb - grosimea nervurii la bază. O caracteristică importantă a oricărei suprafeţe nervurate o constituie coeficientul de nervurare:

β = Se1Si1

; Si1 = π⋅di (pentru ţevi netede la interior) (13.11)

Pentru suprafeţe cu nervuri spiralate sau roluite β are valori cuprinse obişnuit între 6 şi 12, iar pentru suprafeţe nervurate lamelare β = 10…25. Tipul nervurilor şi caracteristicile lor geometrice influenţează hotărâtor asupra compactităţii şi masei RA. Se observă că cea mai mare compactitate o au suprafeţele nervurate lamelare în comparaţie cu suprafeţele nervurate spiralate sau roluite.

Cele mai compacte sunt aparatele cu nervuri lamelare subţiri δn = 0,2 mm şi pas mic u = (1,8…2) mm (Se/V = 900…1000 m2/m3). Pentru RA industriale, care funcţionează în condiţii de formare a zăpezii, pasul nervurilor se măreşte la 5 mm, în cazul decongelării automate la fiecare ciclu de 2…2,5 ore, şi la 10 mm pentru RA cu o decongelare la intervale mai mari de timp. Pasul de 20…30 mm al nervurilor spiralate este justificat numai la RA ale tunelelor de congelare (sau congelatoare), care funcţionează cu depuneri mari de umiditate. La RA utilizate pentru camere de păstrare, un asemenea pas este prea mare. Trecerea de la nervuri din oţel sau alamă la cele de aluminiu permite micşorarea masei aparatului de 1,5…2 ori pentru aceeaşi grosime a nervurilor şi acelaşi β. Uşurarea aparatului (RA) se poate realiza şi prin utilizarea unor nervuri mai subţiri. Masa cea mai mare pe m2 de suprafaţă exterioară o au ţevile de oţel cu nervuri spiralate din bandă de oţel cu grosimea de 1 mm; masa cea mai mică o au ţevile din Al cu nervuri lamelare subţiri tot din Al. În Tabelul 13.3 sunt redate exemple de caracteristici tehnice ale diferitelor tipuri de suprafeţe nervurate, utilizate în construcţia RA.

Tabelul 13.3 Caracteristici tehnice ale diferitelor tipuri de suprafeţe nervurate Domeniul de utiliz

a RA Tipul

nervurării Mat ţeavă

Mat nerv

Pas nerv u mm

Gros nerv

δn mm

Dim ţeavă mm

S/V m2/m3

M/S kg/m2

RA pentru condiţionare

Al Al 2 0,2 10x1 950 0,4

Cu 2 0,2 10x0,8 950 0,6 RA cu depunere de rouă

alamă

3,4 0,4 12x0,8 550 1,9

RA cu depunere de brumă: decong rară

Lamelară Cu Al 5 0,4 16x1 360 0,8

9


Domeniul de utiliz a RA

Tipul nervurării

Mat ţeavă

Mat nerv

Pas nerv u mm

Gros nerv

δn mm

Dim ţeavă mm

S/V m2/m3

M/S kg/m2

decong frecventă 10 0,4 16x1 200 0,9 RA cu apă OL OL 4 0,4 22x2 410 2,2 RA cu NH3 sausaramură

Spiralată 20 1,0 38x2,25 110 6,9

RA Aerofin Cu Cu 3,2 0,2 16x0,6 450 1,5 RA cu apă Roluită Al Al 3,6 0,7 17,5x2 340 1,1

13.1.4 Caracteristici constructive şi aerodinamice ale RA RA prin suprafaţa actuale sunt executate în majoritatea cazurilor sub forma unui fascicul de ţevi rotunde nervurate, amplasat într-o carcasă metalică. Circulaţia aerului prin aparat se realizează cu ajutorul unui ventilator: • axial - în cazul când rezistenţele aerodinamice a RA sunt mici, şi • centrifugal - în cazul asigurării acoperirii unei căderi mai mari de presiune

provocate nu numai de fasciculul nervurat, dar şi de filtre, jaluzele, canale de distribuţie, etc.

Trebuie să se aibă în vedere că tendinţa de a mări viteza aerului în secţiunea de curgere a aparatului, pentru îmbunătăţirea schimbului de căldură, poate conduce la o asemenea creştere a puterii ventilatorului încât echivalentul termic al puterii lui devine comparabil cu sarcina termică primită de RA. Această posibilitate creşte cu micşorarea temperaturii aerului prelucrat când creşte corespunzător şi densitatea lui. La alegerea vitezei aerului în RA, legată direct de debitul volumic, se poate utiliza metoda reprezentată în Figura 13.6. În grafic, curba 1 arată dependenţa frigului produs prin vaporizarea agentului în funcţie de debitul volumic; curba 2. dependenţa puterii ventilatorului în funcţie de debitul de aer şi curba 3. puterea frigorifică reală utilă în camera frigorifică, ţinând cont de echivalentul puterii consumate de ventilator. Dacă ventilatorul şi motorul său electric de acţionare sunt amplasate în camera frigorifică, atunci se va lua în calcul puterea electrică consumată de electromotor; dacă electromotorul ventilatorului este plasat în exteriorul camerei frigorifice, atunci se va lua în calcul puterea de la arborele ventilatorului.

V•

opt

PkW

V• m3/h

ΦkW

1

3

2

Figura 13.6 Alegerea vitezei aerului în RA în funcţie de debitul volumic

Numărul de rânduri de ţevi în RA poate varia în limite largi. Numărul de rânduri de ţevi în lungul curentului de aer este de obicei 4…12, în aparatele verticale, cu amoniac ajunge la 18, iar în cele orizontale 26…28. În RA cu freon de obicei se utilizează ţevi din Cu cu diametrele 10x1 (10x0,5); 12x1 (12x0,8); 15x1 (15x0,8); 16x0,8 şi 18x1,5 (18x1) mm; iar cu amoniac sau saramură - ţevi din OL cu diametre de 24x2; 25x2,5; 30x2,5; 38x3.

10


Se recomandă alegerea diametrului ţevilor în funcţie de puterea frigorifică a aparatului. Astfel de exemplu pentru RA cu freon de Φ0 ≤ 6 kW ) se recomandă ţevi din Cu cu Φ = 10 mm; pentru Φ0 = 6…12 kW, ţevi de 12 mm, iar pentru Φ0 > 12 kW, ţevi de 15…18 mm. Lungimea unei serpentine de agent (lungimea dintre distribuitorul de lichid şi colectorul de vapori) este diferită, dar situându-se de obicei în intervalul 5…15 m. În RA cu amoniac sau saramură lungimea serpentinei ajunge la 20…25 m. Lungimea maximă a serpentinei RA cu freon şi răcire directă se determină din condiţia care recomandă căderea admisibilă de temperatură la fierberea freonilor în lungul serpentinei de max. 4…5 °C. Aceasta corespunde unei căderi de presiune la vaporizarea freonilor HFC134a de aproximativ 0,5 bar şi HCFC22 de aproximativ 0,8 bar. Căderea de presiune depinde de viteza masică a freonului şi de densitatea de flux termic. Considerând cerinţele amintite anterior, se recomandă (ρw) a freonilor în ţevile RA şi care sunt indicate în Tabelul 13.4. Mărimile date în acest tabel sunt obţinute din experimentările pe RA mici, care au coturi în medie după fiecare 0,5 m de ţeavă dreaptă. În RA de putere mare, la care coturile se pun după 1,5 m de ţeavă dreaptă, datele din Tabelul 13.4 trebuie mărite cu 40…50%.

Tabelul 13.4 Valori recomandate pentru (ρw) opt şi (L/di) ale RA cu HCFC 22

Densit fluxqsi

W/m2

Viteza masică optimă (ρw)optkg//m2s

Raportul optim(Ls/di)opt

1160 85-120 3200-4300 2320 100-140 1800-2500 5800 120-180 900-1300

11600 140-220 500-800

Folosind recomandările privind (ρw)opt şi (L/di)opt, se poate determina lungimea maximă admisibilă a unei ţevi L (între colectorul de intrare şi colectorul de ieşire):

L ≤ r⋅di⋅(ρw)4⋅nc⋅qSi

[m] ⇐ Φ0 = π4 di2 rnc

(ρw) = π⋅di⋅L⋅qSi (13.12)

unde: nc = 1x2 - x1

- factorul de recirculare;

L creşte cu creşterea lui (ρw) şi se micşorează cu creşterea lui qSi. Pentru distribuţia uniformă a agentului frigorific lichid în serpentinele RA, se montează distribuitoare speciale de diferite tipuri. În unele construcţii se foloseşte forţa centrifugă a lichidului ce vine de la VL. Sub influenţa acestei forţe lichidul umple uniform ţevile care pleacă de la capul de distribuţie. La alte tipuri, agentul frigorific după o laminare incompletă într-un dispozitiv, se trimite printr-un ajutaj, unde capătă o viteză mare. Vaporii se amestecă bine cu lichidul şi amestecul se distribuie uniform în ţevi.

11


Pasul ţevilor se recomandă a se adoptă în funcţie de coeficientul de nervurare β necesar şi coeficientului de eficacitate a nervurilor E. În RA destinate unei uscări bune a aerului, coeficientul de nervurare trebuie adoptat max. 10…12, iar coeficientul de eficacitate a nervurilor E ≥ 0,85. În aparatele în care uscarea intensă a aerului nu este de dorit, coeficientul de nervurare β poate fi considerat egal cu 20…25 iar coeficientul de eficacitate a nervurilor E = 0,5…0,6. Pentru realizarea unor asemenea β se recomandă adoptarea a şapte paşi normalizaţi ai ţevilor, determinaţi de dimensiunile razelor coturilor (curbelor) şi anume: s1 = 25; 30; 38; 45; 50; 60; 70 mm.

d mm

β ≈ 12 pentru u în mm

β ≈ 25 pentru u în mm

5 10 2 5 10 10 25 38 25 38 50 12 30 45 30 45 60 15 38 50 38 50 70

Tabelul 13.5 Valori recomandate pentru pasul ţevilor

În Tabelul 13.5 se indică diferite combinaţii ale paşilor s1, pasului u şi diametrul ţevii d, care să asigure două valori ale coeficientului de nervurare β = 12 şi β = 25 (sau apropiate de acestea).

Valorile precise ale coeficientului de nervurare β în aparatele cu nervuri lamelare se pot determina cu relaţia:

β = 2 ⎝⎜⎛

⎠⎟⎞s1s2 -

π4de

2 1u + πde⎝⎜⎛

⎠⎟⎞1 - δn

uπdi

(13.13)

La dispunerea ţevilor în coridor este raţională adoptarea lui s1 = s2. La dispunerea în

şah adesea se utilizează s2 = 32 s1 ≈ 0,866·s1.

RA cu amoniac sau saramură de putere mare se pot fabrica din ţevi de OL Φ 38x3,5 nervurate cu bandă spiralată din OL 30x1 mm. Deosebirea importantă este aceea că pasul nervurilor, în funcţie de condiţiile de funcţionare ale diferitelor aparate, variază între 12 şi 30 mm. Ca element de bază al RA se propune utilizarea secţiei normalizate construită din ţevi U cu diametrul de Φ 12x0,8 sau 16x0,8 mm şi nervuri din aluminiu, fixate prin deformare plastică a ţevii cu lichid sub presiune. Dimensiunile nervurii pentru două ţevi cu Φ = 12 mm: 60x30 şi 75x37,5 mm iar pentru două ţevi cu Φ = 16 mm: 80x40 şi 100x50 mm. Grosimea nervurii: 0,3 mm. Nervura are două orificii bordurate; dar în cazul unei producţii mari de RA se pot utiliza nervuri cu 4, 6 sau mai multe găuri. Utilizarea secţiilor normalizate permite micşorarea substanţială a masei aparatului şi organizarea producţiei în flux continuu.

12


Figura 13.7 Schema generală a unui răcitor de aer cu vaporizare directă

şi nervuri lamelare În Figura 13.7 este reprezentat RA construit din ţevi de Cu 16x0,8 mm, cu nervuri din Al cu guler şi u = 5 mm. Fiecare nervură cuprinde numai două ţevi. Fasciculul este compus din ţevi în forma de U, lungimea fiecărei ţevi desfăşurate fiind de 1420 mm. Lungimea totală a ţevilor este de 57 m, iar partea nervurată are 50 m. Dispunerea ţevilor este în şah cu s1 = s2 = 48 mm. Numărul de secţii pentru agentul care funcţionează în paralel este 5. Coeficientul de nervurare β = 20. Suprafaţa exterioară de schimb de căldură se modifică numai prin modificarea pasului nervurilor.

Figura 13.8 Răcitor de aer de pardoseală

1. ventilator axial; 2. carcasa vaporizatorului; 3. vaporizator; 4. gură aspiraţie aer; 5. electromotor ventilator; 6. racorduri intrare/ieşire amoniac

13


În Figura 13.8 este prezentat un răcitor de aer de pardoseală. În cazul amoniacului suprafaţa de transfer de căldură este formată din ţevi din OL Φ 22x1,2 mm şi nervuri lamelare cu dimensiunea de 130x130x0,3. Fiecare nervură cuprinde un fascicul de 4 ţevi dispuse în coridor cu paşii s1 = s2 = 65 mm. Pasul nervurilor în primele rânduri de ţevi este de 15 mm, iar în ultimele de 7,5 mm. Suprafaţa de schimb de căldură este zincată. În cazul freonilor RA este executat din ţevi Φ 16x0,8 mm şi nervuri din Al cu grosimea de 0,4 mm. Dimensiunile nervurilor sunt 80x40, 80x74 şi 80x154 mm pentru fascicul de 2, 4 respectiv 8 ţevi dispuse în coridor cu paşii s1 = s2 = 40 mm. Fiecare RA este constituit din fascicule de ţevi de răcire (cu agent frigorific sau intermediar), ventilator axial cu electromotor, distribuitor, încălzitoare electrice, cuvă pentru colectarea apei de la degivrare, capac şi elemente de prindere.

14


O utilizare tot mai mare o au RA suspendate (Figura 13.9). Aparatele de acest tip nu ocupă din volumul util de marfă din cameră, schema de distribuţie a aerului este mai simplă, iar în frigoriferele monoetajate şi schema de distribuţie a conductelor. RA sunt formate din trei părţi, legate între ele şi montate pe două grinzi comune, de aparatul este atârnat (suspendat) de tavanul camerei. În zona mijlocie sunt dispuse două ventilatoare, iar în cele două laterale fasciculele nervurate, formate din 4 secţii fiecare. Fasciculul este format din ţevi de OL cu Φ 25x2,5. Nervurile sunt lamelare, din OL, cu bordură (guler). Dimensiunile nervurii 460x140x0,4. O nervură cuprinde două şiruri de ţevi cu 6 ţevi în fiecare. Pentru distribuţia uniformă a aerului în volumul camerei, la ieşirea din răcitor pot fi montate dispozitive de dirijare.

Figura 13.9 Răcitor de aer suspendat

15


Seria de RA LEX Helpman conţine 30 de modele de uz general cu 1 până la 4 ventilatoare ventilatoare care suflă aerul, pasul nervurilor de 4 sau 7 mm, domeniul de puteri frigorifice între 1,5 şi 40 kW, domeniul de temperaturi de lucru de la +5 °C până la -35 °C şi pot fi folosite cu agenţi halogenaţi ca R 404A, R 507, HFC 134a şi HCFC 22 pentru camere de refrigerare sau congelare.

Figura 13.10 Răcitor de aer tip LEX - Helpman

Seria de RA PLV Helpman conţine 12 de modele de uz general destinate montării pe tavan sau pe pereţi, au 1 sau 2 ventilatoare care suflă aerul, înălţime de doar 15 cm, pasul nervurilor de 4 sau 6 mm, domeniul de puteri frigorifice între 400 şi 1600 W, domeniul de temperaturi de lucru de la +5 °C până la -35 °C şi pot fi folosite cu agenţi halogenaţi ca R 404A, R 507, HFC134a şi HCFC22 pentru camere de refrigerare sau congelare.

Figura 13.11 Răcitor de aer tip ZLA - Helpman

Seria de RA ZLA Helpman conţine 54 de modele de uz industrial cu 1 până la 4 ventilatoare care aspiră aerul, serpentine din oţel galvanizat, ţevi dispuse după pătrate cu latura de 60 mm, pasul nervurilor de 6, 8, 10 sau 12 mm, domeniul de puteri frigorifice între 4 şi 125 kW (circulaţie cu pompe a amoniacului), domeniul de temperaturi de lucru de la +5 °C până la -40 °C şi sunt folosite cu amoniac pentru camere de refrigerare sau congelare.

Figura 13.12 Răcitor de aer tip PLV - Helpman

16


Seria THOR Helpman (Figura 13.13) este o serie largă şi flexibilă de RA ce conţine 97 de modele de uz industrial cu 1 până la 7 ventilatoare care suflă sau aspiră aerul, debite volumice de aer de la 4200 la 65000 m3/h, pasul nervurilor de 4, 6, 7, 8 sau 10 mm, domeniul de puteri frigorifice între 5 şi 115 kW, domeniul de temperaturi de lucru de la +5 °C până la -40 °C şi pot fi folosite cu agenţi halogenaţi ca R 404A, R 507, HFC134a şi HCFC22 pentru camere de refrigerare sau congelare. Funcţionează de obicei cu detentă directă dar pot fi executate şi pentru circulaţie cu pompe sau cu glicol.

Figura 13.13 Răcitor de aer tip THOR - Helpman

Seria THORD Helpman (Figura 13.14) este o serie largă şi flexibilă de RA cu dublă refulare ce conţine 30 de modele de uz industrial cu 1 până la 5 ventilatoare (cu turaţii de 1500 sau 1000 rpm) care suflă aerul, debite volumice de aer de la 5000 la 42000 m3/h, pasul nervurilor de 4 sau 7 mm, domeniul de puteri frigorifice între 4,5 şi 75 kW, domeniul de temperaturi de lucru de la +5 °C până la -40 °C şi pot fi folosite cu agenţi halogenaţi ca R 404A, R 507, HFC134a şi HCFC22 pentru camere de refrigerare sau congelare. Funcţionează de obicei cu detentă directă dar pot fi executate şi pentru circulaţie cu pompe sau cu glicol.

Figura 13.14 Răcitor de aer tip THORD - Helpman

13.1.5 Particularităţi şi exemple de calcul termic şi aerodinamic al RA de suprafaţă Elementul esenţial pentru calculul RA de suprafaţă este determinarea coeficientului de convecţie de partea agentului frigorific sau agentului intermediar şi de partea aerului. La alegerea formulei pentru calcul lui αa trebuie să se aibă în vedere, ca pentru fascicule de ţevi cu nervuri rare şi relativ joase (nervuri circulare individuale sau spiralate) se poate utiliza relaţia:

Nua = c⋅cs⋅cz(de/u)-0,54(h/u)-0,14Ream Ψ (13.14)

Ψ = 1 - 0,058·(mh) (13.15) Dimensiunea determinantă este pasul nervurii u. În cazul nervurilor dese şi înalte (nervuri lamelare) este indicat să se considere schimbul de căldură ca în cazul curgerii prin canale înguste. În special acestea se referă la suprafeţe nervurate lamelare, care metodologic este indicat să se considere

17


nu ca ţevi cu nervuri ci ca lamele prevăzute cu ţevi [2]. În acest caz, pentru aşezarea în coridor a ţevilor, calculul lui αa trebuie efectuat cu relaţia: Nua = c·Rea

m(L/dec)n (13.16) Pentru ţevi cu nervuri rotunde, în această formulă L reprezintă distanţa dintre marginea de ieşire a nervurii din primul rând de ţevi şi marginea de ieşire a nervurii din ultimul rând de ţevi pe direcţia aerului. Diametrul echivalent se determină cu relaţia:

δnu

de

s1

dec= 2(s1 - de)(u - δn)(s1 - de) + (u - δn)

(13.17)

Pentru fascicul decalat, valorile găsite pentru αa trebuie majorate cu 10%. Există o serie de relaţii empirice pentru determinarea lui αa. Ca urmare a simplităţii ei prezintă interes ecuaţia lui Metumura şi Udzuhasi pentru fascicule decalate cu nervuri lamelare.

αa = 18 w0,578 [W/(m2·K)] (13.18)

Figura 13.15 Elementele geometrice

pentru calculul secţiunii libere de curgere a aerului Ea a fost obţinută pentru fasciculul cu u = 1...5 mm ; δn =

0,2...1 mm; de = 9...16 mm; s1 = 20...30 mm; s2 = 10...50 mm; z ≤ 4.

Mărimea coeficientului de eficacitate a nervurii E = θnθ0

necesară în calculul suprafeţei

poate fi determinată cu ajutorul relaţiei E = tanh(mh)mh , unde m [1/m] - parametrul

nervurii. Calculul mărimii m se face în funcţie de tipul răcirii aerului şi anume:

♦ la răcirea uscată:

m = 2⋅αaδn⋅λn

(13.19)

♦ la depunerea umidităţii sub forma de rouă:

m = 2⋅αa⋅ξδn⋅λn

(13.20)

♦ la depunerea umidităţii sub formă de zăpadă:

m = 2

⎝⎜⎛

⎠⎟⎞1

αa⋅ξ + δz

λz δn⋅λn

(13.21)

Coeficientul convenţional de convecţie, raportat la întreaga suprafaţă exterioară, considerând şi depunerea umidităţii αa' este:

• la răcirea uscată α'a = αa • la răcirea umedă (depunere de rouă) α'a = ξαa

• la răcire cu depunere de zăpadă. α'a = 11

αa⋅ξ + δz

λz

Coeficientul de depunere a umidităţii pe suprafaţa exterioară cu temperatura tp este: 18


pentru tp > 0 °C: ξ = 1 + 2480 xai - xaetai - tae

(13.22)

pentru tp < 0 °C: ξ = 1 + 2880 xai - xaetai - tae

(13.23)

Indicii "i" şi "e" corespund stărilor iniţială şi finală a aerului.

Grosimea stratului de zăpadă δz este determinată din condiţiile de funcţionare a aparatului iar coeficientul de conductibilitate termică λz depinde de densitatea ei (vezi Tabelul 13.6). În cazul decongelărilor dese λz = 0,12 W/(m2K)

Tabelul 13.6 Coeficientul de conductibilitate termică λz

în funcţie de densitatea zăpezii ρz [kg/m3] 100 200 300 400 λz [W/(m2K) 0,116 0,174 0,232 0,348

Analog cu coeficientul de eficacitate a nervurii s-a introdus noţiunea de coeficient de

eficacitate a întregii suprafeţe nervurate En = θnθ0

, considerând şi rezistenţa termică a

contactului dintre ţeavă şi nervură. La valori mari ale lui E, un contact bun între nervură şi ţeavă şi la coeficienţi mari de nervurare: En ≈ E. În celelalte cazuri:

En = E·Ck + 1 - ECkβ (13.24)

Ck - coeficient care ţine cantitatea de rezistenţa termică de contact. Pentru nervuri roluite şi înfăşurate sau presate cu metalizare ulterioară Ck = 1. Pentru a demonstra relaţia precedentă, se consideră că fluxul termic total Φ trece prin suprafaţa nervurilor şi prin suprafaţa de bază:

Φ = Φn + Φb (13.25)

αθ0EnSe = θ0ESn1α + Rc

+ αθ0S0 (13.26)

EnSe = ESn1 + αRc

+ S0 (13.27)

Dacă se împarte relaţia precedentă prin Si şi se notează 11 + αRc

cu Ck se obţine:

βEn = E SnSi

Ck + S0Si

(13.28)

Dacă se ţine cont că: S0Si

≈ 1 şi SnSi

≈ β - 1 rezultă:

En = ECk⎝⎜⎛

⎠⎟⎞1 - 1β + 1β ⇔ En = ECk + 1 - ECk

β (13.29)

Pentru nervuri cu guler, presate pe ţeavă degresată, la umplerea jocului posibil format cu condens din aer: Ck = 0,95...0,98; în celelalte cazuri, în funcţie de calitatea execuţiei:

19


După cum se vede din tabel, cu creşterea lui β se micşorează sensibil Ck şi prin urmare şi En. Din această cauză în aparatele cu valori mari ale lui β este de dorit metalizarea suprafeţei după aplicarea nervurilor pe ţeavă.

Tabelul 13.7 Valorile coeficientului Ck în funcţie de β

β 10 15 20 25 Ck 0,7...0,86 0,6...0,8 0,55...0,75 0,5...0,7

beta*alfaa'/alfai(tp

-t0)/d

tm

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

0.01 0.1 1 10

E = 0.4E = 0.6E = 0.8E = 1

Temperatura de fierbere a agentului frigorific t0 se poate determina din relaţia:

tp - t0Δtm

= 1 - 11En

+ βαa'αi

(13.30)

unde: tp - temperatura medie a suprafeţei exterioare în °C; Δtm - diferenţa medie de temperatură dintre aer şi agentul frigorific;

Rezolvarea ecuaţiei precedente este prezentată grafic diagrama semilogaritmică

din Figura 13.16 în care este dată dependenţa tp - t0Δtm ân funcţie de βαa'

αi pentru diferite

valori ale lui En.

Figura 13.16

13.2 Răcitoare de aer prin contact Aceste aparate [1, pg.189] se folosesc de obicei la condiţionarea aerului, mai ales în cazurile când se prelucrează debite mari de aer. Ca avantaje ale acestor tipuri de RA se pot enumera: construcţia relativ simplă şi posibilitatea de reglare a temperaturii şi umidităţii aerului prin variaţia temperaturii agentului intermediar (apei) de pulverizare. De asemenea temperatura agentului intermediar la aceste tipuri de RA este cu câteva grade mai mare decât la RA prin suprafaţă, ceea ce micşorează ireversibilitatea externă, reducând consumul specific de energie.

20

URăcitoare de aer prin contact

13.2.1 Răcitor de aer cu pulverizare

13.2.1.1 Construcţie şi funcţionare

Figura 13.17 Răcitor de aer cu pulverizare 1. separator intrare (SI); 2. cameră pulverizatoarelor (CP); 3. ventilator

radial; 4. cuvă; 5. preaplin (PP); 6. ventil cu plutitor (VP); În Figura 13.17 se prezintă construcţia RA cu pulverizare, cu mişcare orizontală a aerului. Aerul intră în aparat prin separatorul de intrare SI, care serveşte pentru împiedicarea stropirii încăperii cu apă în cazul opririi ventilatoarelor, şi pentru uniformizarea curentului de aer în secţiunea de curgere. Separatoarele se execută de obicei din lamele (plăci) dispuse în zig zag. Apa este pulverizată în camera CP prin intermediul unor duze D. Numărul de rânduri de duze nu depăşeşte valoarea 3. Numărul de duze într-un rând pe m2 de secţiune transversală este n = 10...30 bucăţi. Duzele sunt de tip centrifugal cu alimentare tangenţială cu apă, cu diametrul orificiului de ieşire de 3...5 mm. Debitul unei duze se poate calcula aproximativ cu relaţia:

m• w = 0,35·10-10·Ψ·d2·p0,5 [kg/s] (13.31) unde: Ψ - coeficient de debit (pentru cele mai utilizate duze, după datele experimentale Ψ = 0,3...0,5); d - diametrul orificiului pulverizatorului, m; p - presiunea apei înaintea duzei, Pa. Duzele din primul rând pulverizează apa în sensul curentului de aer, iar cele din rândurile doi şi trei în contracurent. Dimensiunile camerei pot varia în limite largi, secţiunea transversală atingând în unele cazuri 10…15 m2. Viteza aerului în cameră variază între 2 şi 3 m/s. Pentru a preveni posibilitatea antrenării picăturilor de apă de către aer, la capătul camerei se prevede separator de ieşire SE. Uneori aceste separatoare se stropesc cu apă rece (1,5...3 m3/h şi m de lăţime a camerei) pentru a apropia procesul de răcire a aerului de procesul în contracurent şi a mări coeficientul de răcire. Aerul este aspirat de ventilatorul V, montat după cameră (de obicei ventilator centrifugal). Apa, pulverizată prin duze, neevaporată, cade în cuva (bazinul) 4, de unde este trimisă în vaporizatorul instalaţiei frigorifice. În bazin este o pâlnie de preaplin PP, pentru a împiedică creşterea nivelului apei, şi de asemenea ventilul cu 21


plutitor VP, pentru alimentare cu apă proaspătă (de la reţea) în vederea compensării pierderilor de apă şi eventual a celei evaporate. Lungimea camerei este determinată de distanţele admisibile între registrele de pulverizare şi dintre acestea şi separatoare. Distanţa dintre registre care pulverizează apă în acelaşi sens este de 600... 700 mm; distanţa dintre separatoare şi registrele de pulverizare în sens contrar alăturat: 150...250 mm; grosimea SI: 100...200 mm (de-a lungul curentului de aer); grosimea SE: 185...365 mm. Având în vedere dimensiunile recomandate, rezultă lungimea aproximativă a camerelor de pulverizare inclusiv şi separatoarele:

• pentru două registre de pulverizare în sensuri contrare 2000 mm; • pentru două registre de pulverizare, ambele în contra sensului de curgere a

aerului 2500 mm; • pentru trei registre de pulverizare 2700 mm. RA cu pulverizare pot fi executate şi cu mişcarea aerului în cameră de jos în sus. Procesul modificării stării aerului în RA cu pulverizare este reprezentat în diagrama i-x din Figura 13.18. S-a demonstrat, că direcţia procesului în RA cu pulverizare poate fi conventional determinată de starea Y cu ϕ = 100% şi temperatura egală cu cea a apei la ieşirea din aparat (tw2). În acest caz se presupune că aerul la ieşire din cameră este în contact cu apa, deja încălzită în curentul de aer, adică în camera de pulverizare predomină curgerea în echicurent a aerului şi a picăturilor de apă.

ϕ = 100%

t1

xaw

iw2”

tu1-tw1Δtwtu1-tw2

ϕ1

U1

U2

ξYξD

2D2Y

Δi

tw1

tw2

i2

i1

1

DY

x [kg/kg]

i[kJ/kg]

Figura 13.18 Diagrama i-x cu variaţia

parametrilor aerului în RA cu pulverizare

Procesul real este caracterizat de o valoare mai mare a coeficientului de termoumiditate ε, adică după linia 1D. În acest caz starea finală a aerului corespunde nu punctului 2Y ci punctului 2D. Abaterea procesului real 1D faţă de cel convenţional 1Y se poate considera cu ajutorul coeficientului de abatere "a". Dacă pentru înclinarea liniei procesului se foloseşte coeficientul de depunere a umidităţii ξ

ξ = QtotQusc

= ΔicpΔt =

εε - rH2O

(13.32)

atunci:

a = ξDξy

= i1 - i2cp(t1 - t2D)·

cp(t1 - t2Y)i1 - i2 = t1 - t2Y

t1 - t2D (13.33)

S-a arătat că factorul hotărâtor care influenţează asupra coeficientului de abatere este postumidificarea aerului. Din această cauză, metodic, procesul real în RA, se poate considera convenţional compus din două transformări care se succed: 22


1. procesul 1-2Y (răcirea şi uscarea aerului) şi 2. procesul 2Y - 2D (umidificarea adiabatică a aerului).

13.2.1.2 Metoda de calcul În calculul RA cu pulverizare, cel mai adesea se pot întâlni următoarele două cazuri [1, pg 195]:

1. Sunt date: starea iniţială a aerului, cantitatea de căldură şi umiditate necesare de scos din aer în aparat. Se determină: starea finală a aerului, temperaturile iniţială şi finală a apei, debitele de aer şi apă ce trec prin aparate.

2. Sunt date: starea iniţială a aerului, temperatura iniţială a apei, debitele de aer şi apă care trec prin aparat. Se determină: starea finală a aerului şi temperatura finală a apei, precum şi fluxurile de căldură şi umiditate schimbate.

În ambele cazuri este indicat ca în calcul să se folosească doi coeficienţi empirici:

∗ coeficientul entalpic de răcire:

ηi = i1 - i2i1 - iw2" ≈ tu1 - tu2

tu1 - tw2 (13.34)

unde tu1 şi tu2 reprezintă temperatura termometrului umed pentru stările 1 şi 2.

∗ coeficientul termic de răcire:

ηt = t1 - t2Dt1 - tw2

(13.35)

Se poate arată că raportul acestor coeficienţi este egal cu coeficientul de abatere a procesului real faţă de cel convenţional:

a = ηiηt

(13.36)

Punctele Y, U1 şi U2 se consideră coliniare:

ΔY·2Y·U2 ≡ ΔY·1·U1 → t1 - t2Yt1 - t2w

= tu1 - tu2tu1 - tw2

→

t1 - t2Y = tu1 - tu2tu1 - tw2

·(t1 - t2w) (1.37)

Ambii coeficienţi de răcire sunt funcţii de următorii factori: • viteza masică a aerului în cameră (ρw) [kg/(m2·s)]; • aria secţiunii transversale a camerei A [m2], • presiunea apei înaintea duzelor p [daN/cm2]; • diametrul orificiului de ieşire a duzei d [mm]; • numărul de registre de pulverizare z şi densitatea de dispunere a duzelor într-un

registru n [buc/m2].

Primii doi factori determină debitul masic de aer prin cameră m• a, iar ceilalţi debitul de

apă pulverizat în camera m• w. Influenţa tuturor factorilor enumeraţi asupra coeficientului de răcire poate fi suficient de complet reflectată prin influenţa

coeficientului de stropire μ = m• w/m• a.

23


Ecuaţia pentru determinarea temperaturii finale a apei se poate obţine din bilanţul termic al RA:

i1 - i2 = μ·cpw (tw2 - tw1) (13.38) Din expresia coeficientului entalpic de răcire rezulta:

i1 - i2 = ηi (i1 - iw2") (13.39) Atunci

μ·cpw (tw2 - tw1) = ηi (i1 - iw2") (13.40) Se introduce raportul:

m = i1 - iw2"tu1 - tw2

(13.41)

Valoarea lui m se poate lua din Tabelul 13.8.

Tabelul 13.8 Valorile lui m pentru diferite temperaturi tu

p tu [mm Hg] 0 5 10 15 20 25

760 0,405 0,470 0,555 0,665 0,860 0,999 740 0,410 0,477 0,563 0,678 0,878 1,020

Înlocuind în penultima relaţie diferenţa de entalpii cu m(tu1 - tw2) şi rezolvând noua ecuaţie în tw2 se obţine:

tw2 = tw1 + ηi·m

μ·cwtu1

1 + ηi·mμ·cw

(13.42)

13.2.2 Răcitor de aer cu umplutură stropită

13.2.2.1 Construcţie şi funcţionare În RA cu umplutură stropită (Figura 13.19), apa sau alt agent intermediar este distribuită prin injectoare (duze) sau ţevi perforate deasupra unui strat de umplutură adesea din inele Rashig. Inelele măresc suprafaţa de schimb de căldură şi masă în unitatea de volum de umplutură. Inelele se confecţionează de obicei din ceramică (sau metal) cu dimensiunile 25x25x(2...3)mm. Într-un m3 de umplutură intră 50000 … 60000 inele, ceea ce înseamnă 200…240 m2 de suprafaţă de răcire. Grosimea stratului de umplutură este de 200...400 mm. Aerul circulă de jos în sus prin umplutura stropită, în contracurent cu apa, răcindu-se în contact cu pelicula de apă de pe umplutură şi parţial la trecerea prin volumul de stropire. Deasupra registrelor de stropire se prevede un separator de picături (jaluzele sau plăci aşezate în zig-zag), pentru a împiedica antrenarea micilor picături de apă de către aer. Uneori, pentru separarea picăturilor se prevede un strat din aceleaşi inele, ca în stratul de bază (poz 1, Figura 13.19).

24


Viteza aerului în RA nu trebuie să fie mare, întrucât în caz contrar apa va fi reţinută în umplutură de către curentul de aer. Se ajunge ca secţiunea de trecere dintre inele să se umple cu apă (umplutura se "îneacă"), creşte rezistenţa aerodinamică a aparatului, se înrăutăţeşte schimbul de căldură. Pentru umplutura din inele, viteza aerului înaintea intrării în umplutură nu trebuie să fie mai mare de 1,5 m/s.

Umplutura din inele chiar în stare uscată are o rezistentă aerodinamică destul de mare, întrucât în vrac inelele modifică de multe ori viteza şi direcţia de curgere a aerului, ceea ce conduce la rezistenţe mari datorită loviturilor şi întoarcerilor. Rezistenţa aerodinamică este cu mult mai mică în cazul umpluturii cu curgere dirijată a aerului, de exemplu umplutură cu fante (canale) sau tip fagure. Umplutura cu canale poate fi executată din plăci de material sau hârtie gofrată îmbibată ulterior cu soluţii speciale. Blocurile tip fagure se execută la maşini speciale de îmbinat, după care urmează extinderea şi impregnarea cu răşini sintetice pentru asigurarea rigidităţii şi a rezistenţei la umezire. Materialul de bază poate fi hârtie, carton, pânză din fire de sticlă, etc.

Figura 13.19 Răcitor de aer cu umplutură stropită 1. strat separator; 2. umplutură;

Caracteristicile de bază ale umpluturilor sunt: ◊ suprafaţa specifică a umpluturii (Sv) [m2/m3], ◊ volumul liber sau partea corespunzătoare aerului din volumul stratului de

umplutură (Vl) [m3/m3], ◊ masa volumică a umpluturii (Mv) [kg/m3] şi ◊ diametrul echivalent al umpluturii dec = 4Vl/Sv [m]; Aceste caracteristici, pentru tipurile principale de umplutură sunt date în Tabelul 13.9.

Tabelul 13.9 Unele caracteristici ale tipurilor principale de umplutură

Tipul umpluturii Dimens elem de umplutură mm

Sv m2/m3

Va m3/m3

MV kg/m3

dec mm

Vrac: cocs 24,4 120 0,532 600 18,2 inele Rashig 50x50x5 87,5 0,785 530 36,0 25x25x3 204 0,740 532 14,5 15x15x2 330 0,700 690 8,5 Cu fante verticale: miplast 2 690 0,63 368 3,7 gofrata 3,7 1170 0,825 175 2,85 hârtie 2,3 1500 0,626 375 1,66Fagure: - 580 - - 5,9

25


Tipul umpluturii Dimens elem de umplutură mm

Sv m2/m3

Va m3/m3

MV kg/m3

dec mm

hârtie impreg cu smoală epoxidică

RA cu umplutură stropită (în afară de cele cu tip fagure) sunt inferioare altor tipuri de RA din punct de vedere al caracteristicilor de masă şi volum, întrucât din cauza vitezelor admisibile mici de circulaţie a aerului, secţiunile de curgere ale acestor aparate sunt foarte mari.

13.2.2.2 Metoda de calcul Coeficientul de schimb de căldură de la aer la apă, se raportează convenţional la mărimea secţiunii transversale a RA (A) şi nu la suprafaţa adevărată de contact dintre aer şi apă, a cărei mărime exactă nu se poate determina. În acest caz, pentru inele Rashig Φ25x25x3. Valoarea kA poate fi determinată din relaţia empirică:

kA = 1,163⋅(280 + 1640δ)·Hw0,42·(ρwA)0,5+0,6δ (13.43)

unde: kA - consideră numai schimbul de căldură uscat, W/(m2⋅grd); δ = 0,1…1 m - grosimea stratului de umplutură în m; Hw - intensitatea de stropire (înălţimea ploii), adică debitul de agent intermediar ce cade pe 1 m2 de secţiune transversală a RA, [m3/(m2·h)]

Hw = V•

A (13.44)

sau, dacă Hw [kg/(m2·s)] se poate folosi şi relaţia: kA = 15,7δ-0,4·Hw

0,42·(ρwA)0,7 (13.45) Ecuaţia sus menţionată este valabilă pentru o grosime a stratului de umplutură δ < 0,6 m. La stropirea inelelor cu saramură de CaCl2, valoarea obţinută a lui kA trebuie micşorată, înmulţind-o cu un coeficient As dat în Tabelul 13.10

Tabelul 13.10 Coeficientul As în funcţie de ρs

ρs [kg/dm3] 1,0 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 As 1,0 0,95 0,90 0,80 0,70 0,60

De obicei calculul RA se deduce la determinarea grosimii stratului de umplutură, ceea ce se poate realiza cu ajutorul nomogramelor, calculând mai întâi kA din ecuaţia de schimb de căldură. La coeficienţi reduşi de stropire şi grosimi mici a stratrului de umplutură în RA cu stropire, la fel ca şi la cele cu pulverizare, se observă o abatere a procesului real faţă de cel teoretic, datorat evaporării ulterioare a umidităţii din aer (umidificare adiabatică). Rezistenţa aerodinamică la curgerea aerului prin stratul de inele Rashig de 25x25x3 m poate fi calculată cu relaţia:

Δp = [44δ + (0,75 + 4,6·δ)·Hw] wa2,4 - δ [daN/m2] (13.46)

Δp = [1550δ + (26,5 + 162,5·δ)·Hw] wa2,4 - δ [Pa] (13.47)

Rezistenţa separatorului de picături (SP) din inele Rashig 25x25x3 poate fi calculată cu relaţia:

26


Δp = 33·δsp· wa1,88 [daN/m2] sau Δp = 324·δsp· wa

1,88 [Pa] (13.48)

13.2.3 Răcitor de aer cu spumă Principiul de funcţionare a unui asemenea tip de aparat se bazează pe formarea în interior a unei spume de agent intermediar sub acţiunea energiei cinetice a curentului de aer şi a forţelor de frecare. Apa sau agentul intermediar alimentează cuva aparatului sau compartimentul de deasupra unui taler perforat prin care se trimite aerul. Spuma care se formează continuu creează o suprafaţă mare de contact a mediilor care schimbă căldură. Lichidul înspumat se scurge printr-o fereastră de prea-plin, practicată în peretele corpului, într-un vas special, unde spuma se distruge iar apa se reîntoarce în circuit. Înălţimea stratului de spumă atinge 700 mm şi depinde de viteza aerului, debitul de lichid şi înălţimea ferestrei de prea-plin, care poate fi reglabilă. În aparatele cu spumă se realizează o diferenţă de temperatură foarte mică între aer şi apa la ieşire, ceea ce permite să se folosească pentru răcirea aerului apa (agent intermediar) cu o temperatură iniţială relativ mare. La o grosime a stratului de spumă de 0,6 m, diferenţa de temperatură la ieşirea din strat este de circa 0,5 °C. Din cauza unor rezistenţe aerodinamice mari şi a unei exploatări mai complicate, asemenea tipuri de RA nu au o largă utilizare.

13.2.4 Răcitoare de aer combinate RA în care suprafaţa de schimb de căldură se stropeşte cu lichide cu temperaturi scăzute de solidificare au început să fie utilizate din ce în ce mai mult. Stropirea intensifică schimbul de căldură şi masă, şi măreşte suprafaţa de schimb de căldură, ceea ce permite micşorarea consumului de metal şi construcţia unui aparat compact. RA de acest tip sunt constituite din serpentine de ţevi netede sau nervurate, cu nervuri rotunde, în interiorul cărora se vaporizează agentul frigorific, iar în exterior curge pelicular agentul intermediar, ansamblul fiind amplasat într-un corp metalic. Deasupra serpentinelor sunt dispuse duzele de stropire, unde se trimite cu ajutorul pompei saramura sau etilen-glicolul. Deasupra duzelor sunt montate separatoare de ieşire care împiedică antrenarea picăturilor de lichid. Aerul, trimis de ventilator, se mişcă de jos în sus în contracurent cu lichidul. În unele cazuri este posibilă şi circulaţia în curent încrucişat. Unul din dezavantajele aparatelor de acest tip este acela că sunt supuse la o puternică coroziune, din care cauză toate suprafeţele interioare, care vin în contact cu agentul intermediar şi aerul, trebuie să fie acoperite cu un strat de protecţie anticoroziv. Viteza aerului în secţiunea îngustată nu trebuie să fie mai mare de 5 m/s; densitatea de stropire Hw nu trebuie să depăşească 3...4 m3/m2h, întrucât o valoare mai mare practic nu mai influenţează asupra intensităţii schimbului de căldură, dar măreşte rezistenţa aerodinamică. În cazul utilizării ţevilor nervurate, pasul dintre ele trebuie ales astfel încât între marginile aripioarelor să rămână o distanţă de 3...4 mm. Pasul dintre nervuri se recomandă 10…15 mm. Pentru aceste condiţii calculul suprafeţei de schimb a RA se poate efectua ca în cazul schimbătorului de căldură uscat, corectând coeficientul de convecţie exterior cu un factor dat în Tabelul 13.11 unde:

27


D - diametrul nervurii rotunde, m Tabelul 13.11 (αa)strop/(αa)usc în funcţie

de Re dech - diametrul echivalent al canalului, m

Re = w⋅dechν D/dech Re

6000 4000 2000 1000 80044 2 1,8 1,5 1,2 1,1 7 2,5 2,3 2,0 1,5 1,4 4 1,8 1,7 1,6 1,6 1,5 2 1,8 1,8 1,8 1,7 1,7

Rezistenţa aerodinamică a fasciculului umed cu caracteristicile geometrice indicate şi pentru Hw = 3...4 m3/(m2h), este de circa de trei ori mai mare faţă de fasciculul uscat.

13.3 Baterii de răcire

13.3.1 Construcţie şi funcţionare Camerele frigorifice se răcesc adesea cu ajutorul bateriilor de răcire care reprezintă aparate schimbătoare de căldură, în care agentul intermediar sau frigorific preia căldură direct de la aerul în circulaţie naturală în cameră [1, pg 206]. O altă direcţie a tehnicii frigului constă în utilizarea aparatelor de răcire cu vaporizare directă a agentului frigorific în ele, şi din această cauză BR cu agent intermediar se folosesc limitat, în special la frigorifere de capacitate mică (considerând condiţiile specifice de construcţie şi exploatare a lor) şi în locurile unde nu este permisă utilizarea BR cu amoniac. Ca urmare a fluxurilor de căldură foarte mici care revin la un metru de ţeavă a BR cu ţevi netede, precum şi cantităţii mari de amoniac conţinut în ele, acestea s-au păstrat numai la instalaţiile vechi, în prezent folosindu-se BR cu amoniac cu ţevi nervurate. Înlocuirea ţevilor netede cu cele nervurate permite reducerea consumului de ţevi aproximativ de trei ori şi reducerea însemnată a gabaritului. BR cu ţevi netede şi agent intermediar care sunt uşor de montat şi mai sigure în exploatare, până în

prezent se folosesc încă pentru răcirea magaziilor de mărfuri pe nave.

Figura 13.20 .Baterie de perete cu un rând de ţevi nervurate pentru amoniac: 1, 5. colectoare; 2, 4. suporţi; 3. ţeavă nervurată; 6. ştuţ.

28

UBaterii de răcire

BR cu amoniac s-au confecţionat de obicei din ţevi de oţel trase, fără sudură, Φ 57x3,5 mm cu nervuri înfăşurate în spirală din bandă de OL parţial gofrată cu lăţimea de 46 mm, grosimea 1 mm şi pasul nervurii de 35,6 mm. Suprafaţa de răcire a unui metru liniar de asemenea ţeavă nervurată este de circa 1 m2. O mare importanţă o are contactul nervurii cu ţeava; acesta se realizează prin tragerea benzii pe ţeavă şi acoperirea cu lacuri. Totuşi aceste măsuri nu asigură un contact termic bun, astfel că rezistenţa termică a contactului reprezintă 7% din rezistenţa termică totală la schimbul de căldură. Tipurile de BR, fabricate în ultimul timp şi care se exploatează la frigorifere sunt foarte diferite: de tavan sau de perete; cu un rând sau două rânduri de ţevi, cu ţevi netede sau nervurate, cu colector (tip grătar) sau serpentină, etc. În Figura 13.20 este reprezentată o baterie de perete cu un rând de ţevi nervurate pentru amoniac. Bateria este de tip cu colector şi confecţionată din ţevi 57x3,5 mm cu nervuri spiralate. Numărul maxim de ţevi pe înălţime în bateria de acest tip este de 14. Creşterea ulterioară a numărului de ţevi pe verticală nu este de dorit datorită influenţei coloanei hidrostatice de lichid. Lungimea BR şi numărul de ţevi pot fi diferite şi se determină din necesarul de suprafaţă de schimb de căldură (prin modificarea lungimii ţevilor nervurate de la 6 la 30 mm, suprafaţa de răcire creşte de la 84 la 420 m2). În Figura 13.21 este reprezentată o BR de plafon cu ţevi nervurate pentru amoniac. Bateria este confecţionată din ţevi Φ 57x3,5 cu nervuri spiralate înfăşurate. Numărul de ţevi nervurate în baterie este de 6...21 (multiplu de trei). Bateria constă din 2 elemente cu 3 ţevi, legate prin colectoare de lichid şi vapori. În fiecare element două ţevi sunt dispuse în rândul superior iar una în cel inferior. Ţeava inferioară este montată înclinat având un capăt legat la colectorul de lichid iar celalalt cu cotul care uneste cele două ţevi superioare. Vaporii de amoniac din ţevile superioare sunt conduşi de tubulatura de aspiraţie.

29


Figura 13.21 Baterie de plafon cu ţevi nervurate pentru amoniac 1. racord; 2, 3. colectoare; 4. ţeavă de legătură; 5. ţeavă nerv; 6. suport; 7. cot.

Bateria de perete cu ţevi nervurate şi circulaţie interioară a amoniacului are pe lăţime numai un element cu trei ţevi. În Figura 13.22 este prezentată o baterie de răcire de perete cu un rând de ţevi nervurate dispuse în serpentină plană, pentru amoniac, cu alimentare superioară. Numărul de ţevi pe verticală 6...16, lungimea totală a ţevilor în baterie de la 25 la 80 m, iar suprafaţa de răcire de la 20 la 350 m2. Secţiile BR, după unele norme, se confecţionează din ţevi de OL fără sudură cu

Figura 13.22 Bateria de perete cu ţevi nervurate în serpentină plană pentru amoniac.

30

UBaterii de răcire

dimensiunile de Φ 38x2,5 mm. Nervurarea exterioară se asigură prin înfăşurarea în spirală a unei benzi din OL 45x1 mm. Pasul înfăşurării 20 şi 30 mm corespunzător pentru camere cu produse uscate sau umede. Suprafaţa unui m liniar de ţeavă este de 1 m2 pentru pasul de 30 mm şi 1,5 m2 pentru 20 mm. Ţevile nervurate trebuie zincate la cald, ceea ce permite asigurarea unui contact termic bun şi sigur între nervură şi ţeavă şi îmbunătăţirea coeficientului de schimb global de căldură. Ca variantă, au apărut şi se utilizează cu un oarecare succes BR tip panou (de plafon şi de perete). Elementele bateriilor panou se confecţionează din ţevi Φ 38x3 mm sau 57x3,5 mm şi din tablă cu grosimea de 1,6…2 mm şi putându-se realiza baterii cu diferite suprafeţe de răcire. Pe baza suprafeţei mari de schimb de căldură se realizează o diferenţă relativ mică de temperatură şi valori mari ale umidităţii relative a aerului din cameră. Dar complicaţiile care apar la montarea şi exploatarea bateriilor, ca şi consumul mare de metal micşorează simţitor avantajele lor faţă de alte tipuri constructive. Încercările comparative, efectuate pe baterii din ţevi nervurate şi tip panou au arătat că ambele tipuri asigură practic acelaşi regim termic şi de umiditate în cameră.

Figura 13.23 Baterie de perete cu ţevi nervurate pentru freon În Figura 13.23 este prezentată o baterie de perete cu ţevi nervurate pentru freoni, folosită pentru răcirea directă a aerului în camere frigorifice mici din magazine. Ţevile sunt cupru cu Φ 18x1 mm, nervurile din alamă cu grosimea de 0,4 mm, ştanţate din tablă. Distanţa dintre nervuri este de 12,5 mm, numărul nervurilor 150 la o suprafaţă de 12,5 m2. Bateria funcţionează cu alimentare superioară a lichidului în serpentină, ceea ce uşurează întoarcerea uleiului în compresor.

Se recomandă construcţia bateriei pentru freon din ţevi de cupru Φ 12x0,8 şi 16x0,8 mm. Ţeava de Φ 16x0,8 mm rezistă la presiune de 60 bar şi este de două ori mai uşoară decât ţeava cu grosimea peretelui de 1,5 mm. Noua tehnologie de construcţie permite realizarea bateriei din secţii tipizate, executate din ţevi în formă de U, pe care se presează nervuri lamelare din aluminiu, fixate prin deformare hidraulică a ţevilor. În comparaţie cu modelul precedent, coeficientul de nervurare al acestor baterii se măreşte de la 10,3 până la 18,5 ceea ce permite creşterea suprafeţei exterioare cu

31


70% cu păstrarea dimensiunilor exterioare de gabarit şi de montare în timp ce masa bateriei s-a micşorat aproape la jumătate. În regimul cu producerea vaporilor supraîncălziţi cu 2...4 °C, k s-a micşorat în medie cu 20%. O asemenea sensibilitate la umezirea completă a suprafeţei interioare a ţevilor BR cu freon lichid indică un contact termic bun, sigur, al nervurilor cu ţeava. În timpul încercărilor, diferenţa temperaturilor aerului şi a freonului în fierbere s-a stabilizat în intervalul 7...9 °C în loc de 13...15 °C, în mod obişnuit, ceea ce este de dorit pentru camerele frigorifice, în scopul reducerii pierderilor prin uscare în timpul păstrării produselor. În BR de cameră la depunerea umidităţii sub formă de brumă şi în lipsa decongelării automate, este indicat ca pasul nervurilor să fie de 20 mm. Întrucât în BR nu este dorită uscarea intensă a aerului, coeficientul de eficacitate a nervurii poate să coboare până la E = 0,5...0,6, iar coeficientul de nervurare β = 20...25. În ultimul timp BR sunt din ce în ce mai puţin utilizate, fiind înlocuite pe scară largă cu RA.

13.3.2 Procesul de schimb de căldură în BR Acesta se deosebeşte de cel din RA prin aceea că schimbul de căldură la exterior se realizează pe baza convecţiei libere şi depinde de criteriul Grasshoff (Gr) sau de diferenţa de temperatură dintre aer şi suprafaţa de răcire. Ca urmare a valorilor mici a coeficienţilor de convecţie exteriori (convecţie naturală), trebuie să se ţină cont şi de radiaţia căldurii, care are un rol deosebit în special pentru BR cu ţevi netede. Suprafaţa BR se determină din relaţia:

Φ = k⋅Δtm⋅S = qS⋅S (13.49) Coeficientul de schimb de căldură al bateriei, raportat la întreaga suprafaţă exterioara Se, poate fi determinat din relaţia.

k = 1Seαi Si

+ δzλz

+ 1αet⋅En

(13.50)

Se, Si - suprafaţa exterioară, respectiv interioară, totală a ţevilor; αi - coeficientul de convecţie interior (al agentului frigorific care fierbe sau a agentului intermediar); δz/λz - rezistenţa termică a stratului de zăpadă; αet - coeficientul de convecţie total de partea aerului, considerând convecţia, depunerea de umiditate şi radiaţia; En - coeficientul de eficacitate a suprafeţei nervurate. Valorile uzuale pentru coeficientul global de transfer de căldură sunt k = 12…14 W/(m2K) - pentru ţevi netede şi k = 7…9 W/(m2K) - pentru ţevi nervurate.

Coeficientul de convecţie αi se calculează cu relaţiile .

αi = 45·qs0,4 = 570·θ0,67 pentru amoniac (13.51)

αi = A·qs0,6·(ρw)0,2 12

di pentru freoni (13.52)

Coeficientul de convecţie din partea aerului este compus din:

αet = αaξ + αRψ (13.53) 32

UBaterii de răcire

unde αa şi αR sunt coeficienţi de convecţie de partea aerului, considerând convecţie pură şi echivalentul căldurii radiate: ξ - coeficient de depunere; ψ - coeficient de iradiere.

Coeficientul de convecţie αa al aerului, în cazul general, poate fi determinat din relaţiile criteriale corespunzătoare pentru convecţie liberă, în care pentru BR cu ţevi netede dimensiunea determinantă este diametrul exterior al ţevii, iar pentru ţevi nervurate diametrul exterior al nervurii. Nu = 0,47·Gr1/4 (13.54) După [3] pentru o ţeavă netedă orizontală singulară:

αa = 1,28·⎝⎜⎛

⎠⎟⎞θe

de

1/4 [W/m2grd] (13.55)

unde θe este diferenţa de temperatură dintre temperatura aerului şi temperatura medie a suprafeţei nervurate.

Pentru BR de perete cu ţevi netede, valoarea lui αa determinată cu relaţia precedentă trebuie înmulţită cu un coeficient de corecţie εn, care ţine cont de numărul de ţevi pe verticală - Tabelul 13.12.

Tabelul 13.12 Valorile lui εn în funcţie de n Mărimea rezistenţei termice de

partea agentului frigorific şi intermediar se poate neglija pentru BR cu ţevi netede, astfel:

Numărul n 3 5 8 10 εn 1,1 1,25 1,6 2,0

k = 1δzλz

+ 1αet

(1.56)

Pentru BR de perete cu ţevi nervurate, după datele experimentale ale lui D.M. Ioffe:

αa = 2,33 θe1/4 (13.57)

teta e

alfa

a

33.5

44.5

55.5

66.5

77.5

5 10 15 20

123

În Figura13.24 sunt trasate curbele αa = f(θe) pentru BR cu ţevi netede şi nervurate [4]. Schimbul de căldură mai redus la BR nervurată se explică prin parcursul mai lung al aerului în lungul suprafeţei de schimb de căldură şi o oarecare frânare a acestuia datorită nervurilor. Pentru BR de tip comercial cu nervuri lamelare din alamă şi:

• diametrul ţevilor 16 mm Figura13.24 Dependenţa αa în funcţie

de căderea de temperatură θe 1. ţeavă netedă d = 38 mm; 2. ţeavă

netedă d = 57 mm; 3. ţeavă cu nervuri elicoidale

• pasul nervurilor 12...22 mm

• grosimea nervurilor 0,5 mm

• ânălţimea nervurilor 20...35 mm • dispunerea ţevilor: cu două rânduri pe verticală-în coridor

33


este valabila relaţia: αa = (1,1 - 0,046 ta) θ0n

0,5·u0,1·hn-0,22 (13.58)

θ0n - diferenţa de temperatură dintre aer şi baza nervurii hn - înălţimea convenţională a nervurii

hn = B - de2 (13.59)

B - latura cea mai mică a dreptunghiului unei nervuri la o ţeavă. Coeficientul de depunere se determină cu relaţia:

ξ = i - iw" - (x - xw")iwcp(t - tw) (13.60)

αR = C ⎝⎜⎛ ⎠⎟

⎞Ta100

4 - ⎝⎜⎛

⎠⎟⎞Tw

1004

ta - tw (13.61)

unde: i - entalpia aerului în camera; iw” - entalpia la suprafaţa bateriei; iw - entalpia condensatului depus pe suprafaţa; Ta - temperatura aerului; Tw sau tw - temperatura medie a suprafeţei de răcire. Coeficientul de radiaţie a suprafeţei bateriei poate să fie luat egal cu: C=5,58 W/m2K4 pentru suprafaţa metalică umedă; C=5,47 W/m2K4 pentru suprafaţa zăpezii.

Coeficientul de iradiere Ψ depinde de configuraţia suprafeţei BR. Pentru o ţeavă singulară netedă Ψ = 1; pentru B valoarea lui Ψ este dată în Tabelul 13.13.

Tabelul 13.13 Coeficientul de iradiere Ψ pentru BR cu ţevi netede pentru diferite valori s/d

Baterie 1 2 3 4 5 6 cu un rând 0,63 0,82 0,87 0,90 0,91 0,92

cu 2 rânduri 0,31 0,52 0,63 0,70 0,74 0,77 Coeficientul total de iradiere al BR nervurate este Ψ = Ψ1⋅Ψ2.

Coeficientul αR la θe = 10 °C pentru camere de produse refrigerate este de 4,2 W/(m2K), iar pentru camere de produse congelate de 3,3 W/(m2K); ceea ce pentru BR din ţevi netede reprezintă o parte importantă din coeficientul global de schimb de căldură. La BR cu ţevi nervurate, valoarea coeficientului de iradiere este de 3...4 ori mai mică şi corespunzător va fi mai mică partea din k ce revine radiaţiei. Pentru o ţeavă nervurată singulară, ca urmare a ecranării reciproce a nervurilor şi a umbririi ţevii de către ele, Ψ1 = 1. Influenţa numărului de rânduri asupra schimbului de căldură prin radiaţie se consideră prin coeficientul de iradiere Ψ2. Valorile lui Ψ1 şi Ψ2 sunt date în Figura 13.26. La depunerea zăpezii pe BR cu ţevi netede rezistenţa termică (Re + Rz) creşte în decurs de 2...4 zile, iar apoi rămâne aproximativ constantă sau chiar se micşorează din cauza creşterii diametrului exterior (d < dcr z, unde dcr z este diametrul critic al ţevii acoperită cu zăpadă). Eficacitatea suprafeţei nervurate En se determina cu relaţia corespunzătoare .

34

UBaterii de răcire

Rezistenţa termică de contact nervură-ţeavă [1, pg. 221], pentru baterii cu nervuri elicoidale executate îngrijit este de Ck ≥ 0,93, şi uneori se poate neglija, datorită densităţilor mici de flux termic.

Figura 13.27 Dependenţa rezistenţei termice a stratului de zăpadă în funcţie de durata de

păstrare în camerele de produse răcite şi congelate:

1 şi 3 BR cu ţevi netede 2 şi 4 BR cu ţevi nervurate. Temperatura

aerului în camere: 1: +1 °C; 2: -15 °C ; 3: -10,5 °C; 4: +10 °C

În BR nervurate, creşterea monotonă a lui Rz este însoţită de o mărire bruscă la umplerea spaţiului dintre nervuri cu zăpadă (Figura 13.27).

Figura 13.26 Coeficientul de iradiere al BR a: Ψ1 pentru o ţeavă singulară nervurată; b Ψ2

pentru BR cu un rând de ţevi (l) şi cu două rânduri de ţevi (ll-lV).

Coeficienţii de transfer de căldură pentru BR, fără a considera stratul de zăpadă, pentru ţevi netede sunt daţi în Tabelul 13.14, iar pentru ţevi cu nervuri spiralate în Tabelul 13.15. Valorile mai mari ale coeficientului se referă la BR cu pasul nervurilor de 30 mm iar cele mai mici la BR cu pasul nervurilor de 20 mm. Coeficienţii globali de transfer de căldură la BR cu alimentare superioară trebuie adoptaţi cu aproximativ 10...15 % mai mici decât valorile indicate.

Tabelul 13.14 Coeficientul de schimb de căldură k [W/(m2K)] pentru BR cu ţevi netede din OL

Tip baterie Parametrii aerului

în camera.

Coeficientul global de schimb de căldură k la diferenţă de temp de

ta, °C ϕa 5 10 15 De perete: un rând* 0 0,85 10,8 11,5 12 -18 0,95 6,9 7,9 8,3

35


două rânduri 0 0,85 9,9 10,6 11,0 -18 0,95 6,8 7,2 7,6 De plafon: un rând 0 0,85 8,0 8,5 9,0 -18 0,95 5,4 5,8 6,3 două rânduri 0 0,85 7,0 7,6 8,1 -18 0,95 5,0 5,3 5,7

* numărul de ţevi pe verticală 10…20

Tabelul 13.15 Coeficientul global de transfer de căldură k [W/(m2K)] pentru BR cu ţevi din OL cu nervuri înfăşurate la θ = 10 °C

Tip baterie ta, °C ϕa k de plafon 0 0,85 6,0 -18 0,95 4,8de perete: cu 5 ţevi 0 0,85 4,9 -18 0,95 3,8cu 10 ţevi 0 0,85 4,5 -18 0,95 3,6cu 15 ţevi 0 0,85 4,4 -18 0,95 3,4

13.4 Consideraţii legate de transferul de căldură şi masă

Uneori la temperaturi negative se folosesc RA prin contact cu stropire sau pulverizare. Umiditatea din aer, venind în contact cu suprafaţa higroscopică a agentului intermediar (saramura), este absorbită fără a îngheţa. La contactul aerului cu suprafaţa rece a saramurii, care are temperatura ts şi proprietăţi hidroscopice, se aplică toate cele spuse în legătură cu contactul cu apa. Dar în acest caz presiunea parţială a vaporilor de apă deasupra suprafeţei saramurii, şi prin urmare şi umiditatea xw” la aceeaşi temperatură, va fi mai mică decât la apă. Micşorarea umidităţii depinde numai de temperatura de îngheţ a saramurii, dar nu şi de natura sării dizolvate.

ϕ < 100%

ϕ = 100%

tîng

t=0°CtS S w

2

1

x

i

Legea liniei drepte pentru saramuri se aplică la fel ca la apă, dar în acest caz procesul de prelucrare a aerului este orientat nu către punctul W (tw, ϕ = 1), ci către punctul S cu parametrii (ts, ϕs < 1). În Figura 13.28 se observă că în aceleaşi condiţii de temperatură acţiunea de uscare a aerului de către saramură este mai mare decât în cazul apei.

Figura 13.28 Reprezentarea în diagrama i-x a legii liniei drepte în

cazul contactului dintre aer şi saramură. 1. starea iniţială a

aerului; 2. starea finală aerului; tîng - temperatura de îngheţ a

saramurii

36

UConsideraţii legate de transferul de căldură şi masă

Bibliografie [1] Danilova G.N, Bogdanov, S.N, Ivanov, O.P. ş.a. - Aparate schimbătoare de căldură în instalaţiile frigorifice, Ed. Maşinostroenie, Leningrad 1973. [2] * * * - Holod.Tehnika.12/69. [3] Dobrovolski - Maşini şi instalaţii frigorifice navale, 1969 [4] Gogolin - Condiţionarea aerului în industria cărnii, 1966

37

rcitoare de aer si baterii de rcire - tmt.ugal.ro · pdf filestropirea măreşte suprafaţa de...

Documents