4. C05-CAPITOLUL 4: PROCEDEE DE TRATARE A AERULUI [ii]

Transkript

1 4.2. Tratarea aerului cu apă 4. C05-CAPITOLUL 4: PROCEDEE DE TRATARE A AERULUI [ii] Probleme generale Aerul încăperilor din clădirile civile și industriale tinde să-și modifice permanent parametrii de stare ca urmare a aporturilor (pierderilor), a degajărilor de căldură și a degajărilor și consumurilor de umiditate sau, altfel spus, ca urmare a variației permanente a sarcinilor (bilanțurilor) termice și de umiditate. Menținerea aerului din interior la parametrii prescriși presupune extragerea căldurii și a umidității în exces sau introducerea acestora acolo unde sunt deficitare pentru a se menține starea de echilibru Tratarea aerului cu apă Se au în vedere procesele termodinamice ce au loc între aer și apă, urmând ca aspectele legate de conținutul de impurități al apei de tratare să fie luate în considerare la descrierea echipamentului respectiv (fig ). Modelul simplificat al schimbului dintre aer și apă Pentru a înțelege mai ușor modificarea stării aerului, respectiv, direcția în lungul căreia are loc această evoluție se recurge la o analogie cu amestecul a două cantități de aer, cu stări diferite (fig ). În realitate, direcția desfășurării proceselor se abate de la dreapta 1-2, evoluând pe traiectorii apropiate 1-4-3' sau 1-5-3", în funcție de sensul relativ aer - apă și de finețea particulelor. În practică se consideră, în mod convențional, că evoluția stării aerului în contact cu apa se desfășoară pe direcția 1-2 dată de starea inițială a aerului 1 și de temperatura inițială a apei, ta = t2, considerată constantă în procesul de schimb Procese posibile de modificare a stării aerului în contact cu apa Studiul proceselor de schimbare a stării aerului în contact cu apa (w) se poate face pe baza expresiei fluxului elementar de căldură dat de relația (fig ): Q = Qp + Ql = [α(t - tw) + σro(x - xw)]ds < < Plecăm de la observația că pot avea loc situațiile: t = tw și x = > > În cazul schimbului de căldură perceptibilă Qp = α(t - ta)ds cele 3 cazuri reprezintă: t > tw, Qp > 0, aerul cedează căldură apei, răcindu-se; t = tw, Qp = 0, aerul își menține temperatura neexistând schimb de căldură perceptibilă; t < tw, Qp < 0, aerul primește căldură de la apă, încălzindu-se. În cazul schimbului de căldură latentă, Ql = σ r0(x - xa)ds cele trei cazuri reprezintă: x > xw, respectiv ta < tr, Ql < 0, aerul cedează apei căldura latentă (odată cu vaporii de apă ce se condensează) și se usucă; x = xw, respectiv tw = tr, schimbul de căldură latentă este nul, Ql = 0; x > xw, respectiv, tw > tr, Ql < 0, aerul primește căldură latentă odată cu apa care se evaporă. În realitate, au loc procese în care se modifică atât temperatura cât și conținutul de umiditate rezultând mai multe procese (încălzire cu umidificare, răcire cu umidificare, răcire cu uscare etc.). xw 89

2 C05-Capitolul 4: Procedee de tratare a aerului [1F] Analiza proceselor posibile de schimbare a stării aerului în contact cu apa se face în diagrama h-x utilizând scara unghiulară (raza procesului) ε = h/ x. După cum se poate observa în diagrama din figura 4.2.3, procesele pot evolua pe 7 direcții, direcții stabilite în raport cu dreptele caracteristice unei stări inițiale A: t = constant, h = constant, x = constant. Au fost notate cu 1, 2,..., 7 stările finale ale aerului în procesele reale și cu 1', 2',..., 7', în cele ideale. Figura 4.1 Fig Cazurile posibile de modificare a stării aerului în contact cu apa. Proces după direcția Tabelul Procese posibile de modificare a stării aerului în contact cu apa Temperatura apei, tw Raza procesului, ε x h t Denumirea procesului A-1 tw > t ε > hv >0 >0 >0 umidificare cu încălzire t = const. (A-2) tw = t ε = hv >0 >0 =0 umidificare izotermică A-3 tw > t > tu 0 < ε < hv >0 >0 <0 umidificare cu răcire și creșterea entalpiei h = const. (A-4) tw = tu ε 0 >0 =0 <0 umidificare adiabatică A-5 tu > tw > tr - < ε < 0 >0 <0 <0 umidificare cu răcire și scăderea entalpiei x = const. (A-6) tw = tr ε = - =0 <0 <0 răcire la x = ct. A-7 tr > tw > 0 ºC ε > 0 <0 <0 <0 răcire cu uscare Procesele de schimbare a stării aerului în contact cu apa se pot desfășura după cum se vede în zona cuprinsă în diagrama h-x între tangentele A-1' și A-7' la curba de saturație. Dacă temperatura corespunzătoare punctului 7' este mai mică decât 0 C, limitele proceselor se restrâng. Procesele posibile de tratare a aerului cu apă sunt redate sintetic în 90

3 4.2. Tratarea aerului cu apă tabelul Dintre procesele prezentate, cele mai utilizate sunt cele care decurg la x = constant, h = constant și t = constant Umidificarea izotermică În practică acest proces este mai comod să se realizeze cu abur saturat uscat, decât cu apă pulverizată. Este util de știut care este valoarea razei procesului e după care se desfășoară. Cu notațiile din figura putem scrie ta = t2 = t: ε = h h2 - ha cpt + (r0 + cpv t)x2 - cpt - (r0 + cpv t)xa = x x2 - = xa x2 - xa în care: hv - entalpia vaporilor de apă. = r0 + cpvt = hv(4.2.1) (4.25) Temperatura poate avea valori cu-prinse între 0 și 100 C pentru care ε este cuprins între 2500 și În realitate, apa pulverizată nu depășește 30 C astfel că ε = Având în vedere că unghiul format de cele două direcții (2500 și 2550) este foarte mic, în practică se poate considera că evoluția proceselor de umidificare izotermică are loc după direcția ε = Umidificarea adiabatică Procesul de umidificare la ε = constant (fig și 4.2.4) presupune că ε = 0 deoarece h = 0. Scriind sub formă dezvoltată h = 0 și notând ha = h4 = h se obține: cpta + (r0 + cpvta)xa = cpt4 + (r0 + cpv t4)x4 sau cp(ta - t4) = + cpv(t4x4 - taxa) deoarece cpv(t4x4 - taxa) << r0(x4 - xa) se poate neglija acest termen și deci cp(ta - t4) r0(x4 - XA) (4.2.2) (4.26) Căldura perceptibilă pe care o cedează aerul răcindu-se de la ta la t4 (procesul se mai numește și de răcire adiabatică") servește la evaporarea unei cantități de apă proporțională cu x4 - xa = X. Aerul, răcindu-se, cedează apei o cantitate de căldură perceptibilă r0 x (raportarea se face la 1 kg de aer) care servește la evaporarea a x kg de apă, vapori preluați de aer. Aerul primește odată cu vaporii și căldura perceptibilă conținută în apa care s-a evaporat, respectiv, (r0 + cata) x. Diferența entalpiilor finală și inițială este: iar raza procesului: η = (r0 + cata) x - r0 x = cata x, ε = h/ x = cata = cat (4.2.3) (4.27) direcție după care are loc, în realitate, umidificarea adiabatică. 91

4 C05-Capitolul 4: Procedee de tratare a aerului [1F] Figura 4.2 Fig Umidificarea adiabatică. Deoarece temperatura apei pulverizate, ta, cu care se lucrează în mod curent este mică și valorile ε' rezultate vor fi mici iar unghiul dintre ε' și ε fiind foarte mic se poate considera, pentru practică, o evoluție convențională după direcția ε = 0. Umidificarea adiabatică este larg utilizată în instalațiile de climatizare, în mod curent, în perioada de iarnă. Pentru unele procese de tratare complexă se folosește umidificarea adiabatică tot timpul anului. Acest procedeu este simplu și avantajos, realizat cu ajutorul unei instalații de pulverizare în circuitul căreia se intercalează o pompă. Aceasta preia apa din bazinul camerei de tratare și o pulverizează, prin intermediul unor duze, în curentul de aer. Apa evaporată (circa % din apa recirculată) este completată prin intermediul unui robinet cu plutitor. Temperatura apei pulverizate se menține permanent la valoarea temperaturii după termometrul umed, t a = t, nefiind deci necesară nici încălzirea, nici răcirea acesteia. Chiar în condițiile în care temperatura apei este diferită de t, după scurt timp, aceasta tinde către valoarea de echilibru t. Procesul real, 2", va fi cu atât mai aproape de cel ideal, 2, cu cât coeficientul de stropire (pulverizare) va fi mai mare. Acest coeficient de pulverizare reprezintă raportul dintre cantitatea de apă pulverizată și debitul de aer tratat ceea ce înseamnă același lucru cu cantitatea de apă necesară tratării unui kg de aer și se exprimă în [kg apă/kg aer tratat] Procese politropice Spre deosebire de umidificarea adiabatică, la care temperatura apei de tratare rămâne constantă, în cazul proceselor politropice, alături de modificarea stării aerului, are loc și o modificare a temperaturii apei pulverizate, aspect care rezultă din relația de bilanț termic: Qreal = L(h1 - h2) = Gacd(ta2 - ta1) (4.2.4) (4.28) în care: Q real - schimbul real de căldură dintre aer și apă [KW]; L - debitul de aer supus tratării [kg/s]; h1, h2 - entalpiile inițială și finală ale aerului supus tratării [kj/kg]; Ga - debitul de apă pulverizată [kg/s]; ca - căldura specifică a apei [kj/kgk]; ta1, ta2 - temperaturile inițială și finală ale apei pulverizate [ C]. Din relația 4.2.3, rezultă: h = µ ta (4.2.5) (4.29) ceea ce înseamnă că variația entalpiei este direct proporțională cu coeficientul de stropire, µ, și cu diferența de temperatură a apei. Mărind coeficientul de stropire, se mărește h, procesul real apropiindu-se de procesul ideal. Această mărire a coeficientului µ nu se poate face oricât, fiind limitat pe considerente economice. 92

5 4.3. Tratarea aerului cu abur Figura 4.3 Fig Proces politropic de răcire și uscare. Figura 4.4 Fig Construirea proceselor politropice de răcire și uscare: a - pulverizare în echicurent; b - pulverizare în contracurent. Se consideră un proces politropic de răcire și uscare (fig ), aerul având starea inițială 1, iar apa, starea inițială 3. Punând în contact direct aerul având starea 1 cu apa de stare 3, se constată că starea aerului se deplasează de la 1 spre 2, în timp ce temperatura apei, crește de la 3 spre 4. Starea 2 este starea finală a aerului în procesul real iar 4, starea finală a apei, tot în procesul real, procese realizate în condițiile utilizării unui anumit coeficient de pulverizare µ. Se poate mări coeficientul de pulverizare astfel încât starea finală a aerului 5 și apei 6 să se găsească pe aceeași adiabată, soluție care reprezintă maximum posibil de uscare și răcire a aerului, soluție întâlnită când temperatura apei devine egală cu temperatura după termometrul umed. Mărind, în continuare, debitul de apă, evoluția aerului va avea loc, la h = constant, de la 5 la 6. În procesul ideal, stările finale ale aerului și apei (pentru un coeficient de stropire µ = ) vor fi 6. Procesul de răcire și uscare 1-5 continuă cu un proces de umidificare, nedorit, 5-6. Cercetări recente asupra camerelor de pulverizare au arătat că din cauza imposibilității înlăturării formării picăturilor foarte fine de apă, în procesul de stropire, acestea se evaporă, practic, instantaneu, astfel că procesul de răcire și uscare este însoțit totdeauna și de un proces de umidificare adiabatică. Procesele politropice de variație a stării aerului în contact cu apa din camerele de pulverizare pot fi construite în diagrama h-x, pentru procese în echicurent și în contracurent (fig ). Deoarece în practică nu interesează stările intermediare ale aerului, ci numai cele inițială și finală, se consideră, că evoluția are loc în lungul dreptei ce unește cele două stări Tratarea aerului cu abur Procedeul de tratare a aerului cu abur saturat uscat (cu aceeași temperatură) constă în injectarea de abur direct în curentul de aer. Injectarea, în funcție de posibilitățile locale și de echipamentul adoptat, se face în agregatul de ventilare sau climatizare, pe rețeaua canalelor de introducere sau direct, în încăperea deservită. Evoluția stării aerului are loc la t = constant (fig ). 93

6 C05-Capitolul 4: Procedee de tratare a aerului [1F] Figura 4.5 Fig Umidificarea izotermică. Aerului de stare 1 i se adaugă o cantitate de vapori x având entalpia hab astfel încât aerul va avea în starea finală 2 entalpia h2 = h1 + x hab. Raza procesului (direcția de desfășurare) va fi: ε = h1 + x ha - h1 x = hab (4.30) Entalpia aburului saturat uscat, hab, injectat în curentul de aer, este puțin diferită de entalpia vaporilor de apă corespunzătoare temperaturii aerului, hv, astfel că se poate considera, cu suficientă exactitate, că procesul decurge după t = constant, adică ε = hv. Dacă debitul de abur injectat este mare, starea aerului interior ajunge la saturație în 3. Dacă se continuă injectarea după atingerea saturației, se produce ceață, o parte din abur condensează, cedând căldura de evaporare aerului care-și va mări temperatura, evoluția, în continua-re, având loc pe curba de saturație Tratarea aerului cu substanțe desicante Substanțele desicante în stare solidă sau lichidă posedă proprietatea de a elimina apa dintr-un corp, cel mai adesea gaz (aer), uscându-l Sinteza posibilităților de tratare a aerului Adoptarea unui anumit procedeu este legată, în primul rând, de natura procesului pe care urmează să-l sufere aerul și economicitatea procedeului, respectiv, a echipamentului. Teoretic, procesele din diagrama h-x pot evolua după orice direcție, în practică, se recurge însă doar la un număr mai restrâns de direcții, trecerea de la o stare la alta fiind de cele mai multe ori mai ușor de obținut (mai economic) și de stăpânit prin 2-3 procese, cu evoluții după direcții diferite fiecare. În figura s-a încercat o sintetizare a posibilităților practice și economice de tratare a aerului prin diverse procedee. În figură s-a notat cu l starea inițială a aerului care urmează să fie tratat. Starea finală poate să rezulte în diferite zone ale diagramei h-x, în funcție de procedeul adoptat. Astfel dacă se utilizează substanțe desicante aerul evoluează de la l la H, proces ce se desfășoară după h = constant. Procesele cuprinse în evantaiul AF pot fi realizate prin pulverizare de apă în circuit deschis și, bineînțeles, cu condiția ca temperatura de stropire să fie superioară celei de 0 C. 94

7 4.6. Tratarea complexă a aerului de climatizare Figura 4.6 Fig Sinteza posibilităților de tratare a aerului: 1 - tratarea cu substanțe absorbante sau adsorbante; 2 - baterii de încălzire; 3 - tratarea cu abur supraîncălzit; 4 - tratare cu abur saturat uscat; 5 - tratare cu apă în circuit deschis; 6 - tratare directă cu agenți frigorifici; 7 - baterii de răcire alimentate cu apă rece sau răcită; 8 - tratare cu apă recirculată Tratarea complexă a aerului de climatizare Se presupune realizarea unor agregate alcătuite din camere de amestec, filtre, baterii de încălzire și răcire, camere de pulverizare, ventilatoare și diverse accesorii care să asigure realizarea unor procese simple de tratare a aerului, într-o anumită ordine, ușor controlabile și reglabile cu ajutorul cărora se aduce aerul la starea necesară (temperatură, umiditate, entalpie etc.) pentru a fi introdus în încăperi. Modificarea stării aerului în interiorul agregatului de climatizare poate fi realizată în multe feluri, folosind, după caz, un număr mai mare sau mai mic de procese simple a căror alegere presupune o analiză tehnico-economică și faptul că instalația în care este implementat agregatul funcționează tot timpul anului, deci la parametri ai aerului exterior cu variații foarte mari. Mărimea agregatului de climatizare este determinată, pe de o parte, de debitul de aer tratat, iar, pe de altă parte, de sarcinile termice (de răcire și de încălzire) pe care trebuie să le realizeze. Aparatajul din componența agregatelor necesită surse de căldură (abur, apă caldă, apă fierbinte, energie electrică), de frig (apă rece, apă răcită), de apă și electricitate, aspecte care trebuie avute în vedere la alcătuirea proceselor de tratare complexă și la care se adaugă și cele legate de reglarea proceselor. Rezolvarea tratării complexe presupune, pe de o parte, transpunerea în diagrama h-x a proceselor simple în succesiunea lor logică, atât pentru situația de iarnă cât și pentru cea de vară (ca limite extreme între care variază parametrii aerului în tot timpul anului), iar, pe de 95

8 C05-Capitolul 4: Procedee de tratare a aerului [1F] altă parte, alcătuirea constructivă a agregatului de climatizare capabil să realizeze procesele amintite. 96

9 4.6. Tratarea complexă a aerului de climatizare Procese de tratare complexă a aerului iarna Se analizează procesele în funcție de anotimp, poziția punctului de amestec față de curba de saturație și de schema de ventilare. Tabelul Repartizarea de căldură și umiditate Mărimea Schema sus-jos" Schema jos-sus" Sarcini totale Zona de ședere/lucru Zona superioară Căldură: Φi, [kw] Φi Φi zs = αφi, Φi s = (1 - α)φi Umiditate: Gi [kg/s] Gi Gi zs = βgi Gi s = (1 - α)gi Raza procesului: ε [kj/kg] εi = Φi/Gi εi zs = Φi zs /Gi zs εi s = Φi s /Gi s Punctul de amestec M este situat deasupra curbei de saturație Schema de ventilare sus-jos" Figura 4.7 Fig Tratarea complexă a aerului iarna și vara (schema sus-jos), cazul în care punctul M este situat deasupra curbei de saturație: CA - cameră de amestec; F - filtru de praf; BPI - baterie de preîncălzire; CP - cameră de pulverizare; BRI - baterie de reîncălzire; VI - ventilator de introducere; PC - pompă de circulație; VTC - ventil cu trei căi; l - starea aerului interior; E - idem, exterior; M - idem, 97

10 C05-Capitolul 4: Procedee de tratare a aerului [1F] amestecat; P - idem, preîncălzit; R i - idem, umidificat; R v - idem, răcit și uscat; C - idem, tratat; T - temperatura teoretică a apei de răcire sau a agentului frigorific. Pentru construcția proceselor se cunosc sau urmează a fi stabilite punctele de stare determinante. Se cunosc (alese sau calculate): starea aerului interior: I (ti, ϕi); starea aerului exterior: E (te, xe) m și γ ( m p = γm și m r = (1 - γ)m ) SAU m p și m r ( m = m p + m r și γ = m p / m ) Gi (> 0) - sarcina de umiditate iarna [g/s]; Φi = Φdeg - Φcons (< 0) - sarcina termică de iarnă [kw]. Se alege: ϕr = Se determină: Starea M (aer amestecat), situată la intersecția dreptei IE cu unul din parametrii xm sau hm. mpxe + mrxi xm = mp + mr (4.31) unde: mphe + mrhi hm = mp + mr (4.32) m p este debitul de aer proaspăt [kg/s] sau [kg/h]; m r = m - m p - debitul de aer recirculat [kg/s] sau [kg/h]; Starea C (aer climatizat) (care depinde de m!), situată la intersecția unei paralele la raza procesului iarna, εi cu unul din parametrii xc sau hc. în care: m este debitul de aer tratat [kg/s]; xc = xi - Gi/m [g/kg] (4.6.1) (4.33) hc = hi - Φi/m [kj/kg] (4.6.2) (4.34) εi = Φi/Gi [kj/kg] (4.6.3) (4.35) Starea R (punct corespunzătoare stării finale P a aerului), care rezultă la intersecția dreptei xc cu ϕ = 0,9 0,95 (ales!); Starea P (aer preîncălzit) rezultă la intersecția dreptelor xm și hr. Rezultă următoarea succesiune de procese și aparate necesare pentru realizarea lor, indicate în figura I+E M - proces de amestec, realizat într-o cameră de amestec CA, prevăzută cu jaluzele reglabile pe cele două racorduri; MP - proces de preîncălzire, realizat prin trecerea aerului amestecat printr-o baterie BPI; PRi - umidificare adiabatică obținută în camera de pulverizare CP prin pulverizarea apei în circuit închis; RiC - reîncălzirea aerului, realizată cu bateria BRI; Cl - evoluția aerului interior iarna ca urmare a preluării simultane de căldură și umiditate. 98

11 4.6. Tratarea complexă a aerului de climatizare În este indicat și cazul în care nu este permisă recircularea aerului interior, situație în care tot debitul de aer este preluat din exterior (m = m p, m r = 0). În locul punctului P apare starea P1, rezultată la intersecția dreptelor hr și xe. Lipsa amestecului (punctul M) nu atrage după sine obligativitatea dispariției camerei de amestec CA, deoarece ea constituie locul de acces pentru scoaterea elementelor filtrante în vederea curățirii lor și, de multe ori, păstrează și racordul de recirculare folosit, din considerente economice, la aducerea încăperii în stare de regim. Schema tehnologică a agregatului indicat în partea de jos a figurii rezultată ca sumă a elementelor comune și necomune din procesele de tratare iarna și vara, la care se adaugă întotdeauna un filtru de praf F, înaintea bateriei de preîncălzire BPI, pentru a se evita colmatarea acesteia. Elementele comune (bateria de reîncălzire BRI, camera de pulverizare CP, etc.) se dimensionează pentru situația cea mai defavorabilă și se verifică pentru cea favorabilă. Înscrierea parametrilor punctelor de stare pe figură este, de asemenea, importantă, deoarece aceștia, împreună cu debitul de aer tratat, constituie ipotezele principale pentru dimensionarea tuturor elementelor componente. Exemplul de calcul 1 - Tratarea complexă a aerului iarna - Punctul de amestec M este situat deasupra curbei de saturație - Schema de ventilare sus-jos" C Schema de ventilare jos-sus" 99