Bazele si conditiile de calcul ale instalatiilor de ventilare si climatizare

A. Generalitati. Istoricul instalatiilor de ventilare si climatizare. Clasificarea instalatiilor de ventilare si climatizare.

1. Generalitati Calitatea mediului in care oamenii isi desfasoara activitatea are o influenta

complexa asupra lor, atat sub aspect igienico-sanitar cat si sub aspectul productivitatii muncii.

Calitatea mediului ambiant se apreciaza prin valoarea parametrilor confortului termic, prin compozitie chimica si puritatea aerului, precum si prin alti factori ca: nivelul de iluminare, nivelul de zgomot, gradul de ionizare a aerului, elemente de estetica etc.

Daca instalatiile de incalzire asigura pentru o categorie relativ restransa de incinte in anotimpul rece, mentinerea temperaturii aerului interior la o anumita valoare, datorita unor masuri suplimentare in general constructive sau de conceptie se pot mentine si ceilalti parametrii ai confortului termic ca umiditate relativa, temperatura medie de radiatie, in limite acceptabile. Printr-o ventilare naturala, de regula intermitenta (deschiderea usilor sau ferestrelor) se poate asigura si o primenire a aerului interior.

Dar pentru marea majoritate a incintelor, ca de exemplu incaperi aglomerate, incaperi de productie, laboratoare, hale pentru cresterea industriala a animalelor etc., nu se mai pot asigura cerintele de mai sus numai cu o instalatie de incalzire. Pentru indepartarea mirosurilor si degajarilor nocive sau chiar toxice, apare necesitatea introducerii “controlate” a unui debit de aer, un prim argument care solicita prezenta instalatiei de ventilare. Natura si cantitatea de degajari nocive, modul lor de propagare, sistemul constructiv al incintelor, valoarea la care sunt prescrisi parametrii aerului interior pe considerente de confort sau tehnologice, limitele admisibile la care trebuie reduse concentratiile diverselor substante nocive degajate, la care se adauga de multe ori cu o pondere importanta consideratii economice, au condus la folosirea unei game foarte variate de instalatii de ventilare si climatizare.

Daca in cazul unei incinte industriale cu pereti exteriori, la care au loc numai degajari de caldura, este suficient pentru indepartarea acestora a se prevede o ventilare naturala-organizata, adica sa se practice la partea superioara orificii de evacuare iar la partea inferioara orificii pentru patrunderea aerului exterior, in cazul incaperilor aglomerate datorita degajarilor mari de caldura si umiditate cat si a valorilor la care trebuie mentinuti parametrii de confort, este necesara racirea aerului introdus pentru a mari capacitatea de preluare a caldurii, iar pentru a asigura si limite mai stranse ale umiditatii relative, deci preluarea

1

surplusului de umiditate este necesara si uscarea aerului. Prin aceste masuri se realizeaza una din formele sub care se intalnesc instalatiile de climatizare.

Unele procese tehnologice (industria textila, optica, prelucrari de mare precizie, laboratoare metrologice etc.) impun uneori cerinte si mai stricte in privinta unuia sau mai multora dintre parametrii microclimatului interior, ceea ce influenteaza nu numai complexitatea agregatului de climatizare, ci insusi sistemul constructiv al incintei respective.

Preocuparea pentru asigurarea conditiilor de microclimat corespunzatoare specificului muncii desfasurate de oameni sau naturii procesului tehnologic, reprezinta o cerinta primordiala in dezvoltarea tehnicii ventilarii si climatizarii pe plan mondial.

In tara noastra grija pentru om, pentru conditiile lui de munca si viata, pentru ridicarea nivelului de trai se reflecta si in prevederile Normelor Republicane de Protectie a Muncii (N.R.P.M) sau a altor norme departamentale, in programele prioritare adoptate in domeniul ventilatiilor ca si in cel al luptei impotriva poluarii mediului inconjurator.

2. Clasificarea instalatiilor de ventilare si climatizare In orice sistem de ventilare este necesar sa se introduca in incaperi aer

(aerul refulat, aer introdus) care preia nocivitatile in exces (caldura, umiditate, gaze, vapori, praf) dupa care trebuie sa fie indepartat din incapere (aer viciat, aer evacuat).

Instalatiile de ventilare pot fi diferentiate dupa modul de vehiculare a aerului, dupa spatiul ventilat si dupa modul de complexitate a tratarii aerului in functie de cerintele tehnologice sau de confort ale incaperii respective. In functie de aceste criterii este posibil sa se stabileasca o clasificare a instalatiilor de tipul indicat in continuare.

a. dupa modul de vehiculare a aerului, 1. ventilare naturala:

- neorganizata - organizata

La ventilarea naturala schimbul de aer al unei incaperi se datoreaza actiunii combinate a celor 2 factori naturali (presiunea cauzata de viteza vantului si diferenta de presiune cauzata de greutatile specifice diferite ale aerului interior si exterior ca urmare a temperaturilor inegale din interior si exterior). Cand patrunderea aerului curat are loc prin neetanseitatile constructiei (usi, ferestre), ventilarea mecanica se numeste neorganizata. Daca in constructie sunt practicate deschideri speciale cu dimensiuni determinate, amplasate la anumite inaltimi si care pot fi inchise si deschise dupa necesitati se obtine ventilarea naturala organizata a incaperii.

2. ventilare mecanica: - simpla (introducere sau evacuare)

2

- combinata (cu incalzire, racire, uscare sau umidificare) In cazul ventilarii mecanice vehicularea aerului se face cu ajutorul unui ventilator sau a doua ventilatoare (unul de introducere si unul de evacuare). In general prin vehicularea mecanica a unui debit de aer se urmareste mentinerea unei temperaturi aproximativ constante in perioada de iarna si limitarea cresterii temperaturii interioare peste o anumita valoare in perioada de vara. Aceasta presupune intercalarea in circuitul aerului a unui ventilator si a unei baterii de incalzire (intotdeauna inaintea bateriilor de incalzire se monteaza un filtru de praf). Sunt si alate cazuri de ventilare mecanica combinata, la care in circuitul aerului se introduc alte aparate cu ajutorul carora se pot obtine unele procese simple, ca de exemplu racirea, uscarea sau umidificarea aerului.

3. climatizare: - instalatii pentru confort - instalatii tehnologice

Instalatiile de climatizare (conditionare aerului sunt instalatii de ventilare mecanica care printr-o tratare complexa a aerului (incalzire, racire, uscare si umidificare) trebuie sa asigure in incapere, in tot timpul anului, o anumita microclima (temperatura, umiditate relativa, viteza). Dupa criteriile care stabilesc valoarea si limitele de variatie a parametrilor aerului interior, aceste instalatii pot fi destinate confortului sau unor scopuri tehnologice. Dificultati mai mari prin instalatiile de climatizare tehnologice, deoarece valorile parametrilor aerului interior prescrise ca optime pentru procesul tehnologic, trebuie in acelasi timp sa constituie limite acceptabile din punct de vedere al confortului termic, pentru a nu creea deci senzatii neplacute oamenilor antrenati in procesul tehnologic respectiv.

4. ventilare mixta: - introducerea naturala si evacuarea mecanica - introducerea mecanica si evacuarea mecanica.

Ventilarea mixta sub cele doua forme apare fie ca o posibilitate de exploatare a instalatiilor de ventilare intr-o anumita perioada a anului (de obicei vara) fie chiar ca solutie de proiectare, avantajului ei constand in special in economicitatea exploatarii.

b. dupa extinderea zonei ventilate 1. ventilare generala 2. ventilare locala

- prin refulare - prin aspiratie - prin refulare si aspiratie.

3. ventilare combinata ( ventilare generala + locala) Ventilarea generala are drept scop schimbarea aerului in intreaga

3

incinta asupra ventilarii spre deosebire de ventilarea locala la care evacuarea aerului (sau introducerea) se refera la anumite puncte din incapere unde este concentrata producerea nocivitatilor. Pentru a nu se raspandi in intregul spatiu, nocivitatile sunt evacuate chiar la locul de degajare prin asa numitele absorbtii locale. Ventilarea generala sau de schimb este caracteristica incaperilor social- culturale sau a celor industriale fara degajari importante de nocivitati. Ventilarea aerului apare ca necesara cand avem surse concentrate de nocivitati sau cand acestea sunt dispuse in anumite zone ale incintelor. In aceste cazuri ventilarea de schimb general este neeconomica si chiar ineficienta aparand necesitatea captarii nocivitatilor chiar la locul unde ele se produc. In aceasta categorie intra carcasele, nisele, hotele si aspiratiile marginale. In unele cazuri ventilarea de schimb general fiind ineficace este necesara prevederea unor instalatii de refulare locala a aerului. De exemplu, pentru locurile de munca din apropierea unor suprafete foarte calde oricat s-ar mari debitul de aer nu pot fi asigurate conditii pentru mentinerea bilantului termic al omului din cauza cantitatii mari de caldura primita prin radiatie de la aceste suprafete. In aceasta situatie pentru a ajuta organismul sa elimine surplusul de caldura, se poate interveni prin crearea locala a unor jeturi de aer, pentru fiecare muncitor in parte, care sunt denumite dusuri de aer rece. De asemenea, pentru a impiedica patrunderea aerului rece in incaperi la deschiderea frecventa a usilor spre exterior se folosesc cu destul succes perdelele de aer. Sunt si cazuri pentru impiedicarea raspandirii nocivitatilor in toata incaparea, in special in cazul unor degajari toxice, se poate actiona eficace prin folosirea simultana a unui sistem de refulare, in general de tip perdea de aer a unui sistem de absorbtie pentru fiecare utilaj in parte. Exemplul, la cabine de vopsire, de uscare, de electroliza, etc. Existenta unui sistem de ventilare locala nu exclude prezenta unei instalatii de ventilare de schimb general, careia ii revine rolul de a dilua nocivitatile scapate de la dispozitivele de absorbtie locala la valori sub limitele admisibile si a asigura aerul de compensatie. Se ajunge astfel la sistemul de ventilare combinata.

c. dupa diferenta de presiune dintre interiorul si exteriorul incintei ventilate :

1. ventilare echilibrata 2. ventilare in suprapresiune 3. ventilare in subpresiune

Ventilare echilibrata se obtine cand debitele de aer de introducere si evacuare sunt egale. La ventilarea in suprapresiune, debitul de aer introdus este mai mare decat cel evacuat astfel ca in interior apare o suprapresiune, debitul in exces evacuandu-se pe cale naturala. La ventilarea in subpresiune lucrurile se intampla invers.

4

Aceste sisteme se folosesc pentru a impune un anumit sens al trecerii aerului dintr-o incapere in alta. Astfel, realizand subpresiune intr-o incapere cu degajari importante de nocivitati si suprapresiune in incaperea vecina „curata”, prin sensul de circulatie a aerului obtinut intre cele doua incaperi se impiedica raspandirea nocivitatilor in intreg spatiul. In cladirile cu mai multe incaperi ventilate se recomanda ca pe ansamblu suma debitelor evacuate sa fie egala cu a celor introduse pentru a impiedica subracirea anumitor incinte.

B. Parametrii climatici exteriori de calcul 1. Factorii meteorologici si influenta lor asupra instalatiilor de ventilare

si climatizare Unul din scopurile pentru care sunt realizate instalatiile de ventilare si

climatizare este si acela de a asigura in incaperi anumite conditii de microclima independente de variatia factorilor meteorologici.

Dimensionarea si functionarea corecta insa a unei instalatii este strans legata de clima localitatii sau locului unde se amenajeaza. Clima resprezinta starea caracteristica a atmosferei locului considerat, respectiv totalitatea fenomenelor meteorologice (temperatura, umiditate, vant, presiune barometrica dedusa din observatii repetate pe lungi perioade de timp si cuprinde nu numai o analiza a valorilor medii, ci si abaterile de la aceste medii precum si posibilitatile de repetare a anumitor serii de valori.

Cu toate ca acesti factori meteorologici sunt foarte variabili, pentru majoritatea calculelor din domeniul ventilarii sunt suficienti fie asa denumitii parametrii de calcul, fie in situatii mai fericite relatii matematice care sa redea aproximativ, variatia parametrilor reali: frecventa de manifestare luata in consideratie este dictata de gradul de confort al incaperii sau obiectivului pentru care este proiectata instalatia.

a. Variatia principalilor factori meteorologici 1º Temperatura aerului exterior. Pentru instalatiile de ventilare si

climatizare intereseaza temperatura stratului de aer din apropierea suprafetei terestre.

Corespunzator ciclului diurn si anual al radiatiei solare apare si in cazul aerului un ritm diurn de crestere si scadere a temperaturii, precum si un ritm sezonier. Alaturi de aceste cicluri diurne si anuale trebuie amintite schimbarile temperaturii aerului cu altitudinea, schimbarile temperaturii aerului pe masura departarii de oceane sau mari spre ariile continentale, precum si schimabrile sistematice ale temperaturii aerului de la ecuator spre poli.

Pentru o localitate data intereseaza din punct de vedere al instalatiilor de ventilare si climatizare variatiile diurna si anuala a temperaturii aerului exterior atat in perioada friguroasa cat mai ales in perioada calduroasa a anului.

5

In fig. IB – 2 se poate vedea de asemenea in mod calitativ variatia diurna a temperaturii aerului exterior pentru lunile iulie si ianuarie.

Fig. IB – 2. Variatia diurna a temperaturii aerului exterior

In practica curenta de proiectare a instalatiilor de ventilare si climatizare

se folosesc temperaturile medii lunare (pentru luna cea mai friguroasa si cea mai calduroasa) asociate cu variatiile diurne ale temperaturii aerului exterior ale localitatii considerate.

Din graficul indicat in fig. IB-2 se desprinde faptul ca valorile minime ale temperaturii aerului exterior se intalnesc in luna cea mai friguroasa in jurul orei 7.00 si in luna cea mai calduroasa in jurul orei 5.00. Valorile maxime se intalnesc in luna cea mai friguroasa in jurul orei 15.00 iar in luna cea mai calduroasa intre orele 14.00 si 15.00.

2º Umiditatea relativa a aerului exterior Asemanator variatiilor de temperatura ale aerului exterior dar in raport

invers, intalnim si in cazul umiditatii relative o variatie diurna precum si o variatie anuala.

Schimbarile de umiditate relativa ale aerului se pot produce fie prin evaporare de pe o suprafata libera de apa (proces lent in care vaporii difuzeaza ascendent in aer) fie prin schimbarea temperaturii aerului exterior (fara a adauga alti vapori, scaderea temperaturii duce automat la cresterea umiditatii relative si invers).

In figura IB – 3 este aratata variatia calitativa anuala a umiditatii relative a aerului exterior, iar in figura IB – 4 variatia diurna a umiditatii relative a aerului exterior.

6

Fig. IB – 3. Variatia anuala a umiditatii relative a aerului exterior Fig. IB – 4. Variatia diurna a umiditatii relative a aerului exterior

O atentie mai mare trebuia acordata alegerii umiditatii relative a aerului exterior in conditii de vara caz in care abateri ale acetora de ordinul a 10% atrage dupa sine abateri importante ale entalpiei, lucru care se repercuteaza asupra capacitatii bateriilor de racire ale instalatiilor de climatizare.

3º Radiatia solara Cantitatea de energie radianta primita de o suprafata de control de pe glob

depinde de unghiul sub care cad pe pamant razele soarelui si de durata de expunere. Inclinatia Pamantului da nastere unor diferente sezoniere in ceea ce priveste intensitatea radiatiei solare. Paralel cu schimbarea unghiului de cadere a razelor solare actioneaza si un alt factor, rotatia Pamantului in jurul axei proprii. Cei doi factori conduc la o variatie diurna si sezoniera a intensitatii radiatiei solare. La acestea trebuie sa asociem latitudinea geografica, altitudinea, gradul de nebulozitate al atmosferei precum si orientarea suprafetei la care ne referim.

Radiatia solara primita de suprafata pamantului difera de cea care ajunge la limita exterioara a atmosferei. In figura IB – 5 a fost indicata variatia radiatiei solare cu latitudinea geografica pentru o suprafata orizontala, la limita exterioara a atmosferei terestre, in emisfera nordica.

Pamantul primeste circa doua miliardimi din energia totala emisa de doare. Spectrul radiatiei solare se compune din radiatii de unda scurta si radiatii de unda lunga asa cum se poate vedea in tabelul alaturat.

Fig. IB-5. Variatia radiatiei solare cu latitudinea geografica pentru o suprafata orizontala

7

Spectrul radiatiei solare Lungimea de

unda (microni) Energia totala

(%) Raze x Raze gamma

1/2000...1/100

Raze ultraviolete 0,2...0,4

9

Unde scurte

Raze luminoase vizibile

0,4...0,7 41

Unde lungi Raze infrarosii 0,7...3000 50 Radiatia solara patrunsa in atmosfera pamantului sufera o serie de

modificari. Astfel, la circa 88 km deasupra solului sunt retinute razele X, razele gamma, si o parte din razele ultraviolete. In continuare moleculele de gaz ale straturilor mai dense ale atmosferei provoaca reflexia radiatiilor luminoase vizibile in toate directiile, fenomen ce a primit denumirea de difuziunea Reyleigh. Pe masura apropierii de suprafata terestra difuziunea este intensificata de prezenta prafului in atmosfera, procesul primind numele de reflexie difuza. Ca urmare a difuziunii undelor scurte, o parte din energia solara se in spatiu in timp ce restul de energie de unda se indreapta spre pamant sub numele de radiatie difuza.

Procesul de difuzie este un fenomen de reflexie si nu de schimbare a lungimii de unda, fapt pentru care ferestrele din sticla obisnuita sunt transparente la radiatia difuza la fel ca si la radiatia directa. Radiatiile infrarosii sunt afectate intr-o mica masura de procesul de difuziune astfel ca isi continua drumul spre sol in cea mai mare parte. O pierdere suplimentara, de mai mica importanta, o constituie stratul de ozon, unde moleculele de oxigen sunt descompuse in atomi si recompuse in molecule de ozon. Alta forma de pierdere a energiei se produce prin absorbtia directa de catre bioxidul de carbon si vaporii de apa din atmosfera a unei parti din razele infrarosii. Aceasta are ca urmare o anumita incalzire directa a atmosferei inferioare. Straturile de aer astfel incalzite radiaza spre pamant o anumita cantitate de energie sub forma de unde lungi la care ferestrele sunt opace. Pierderea energiei in bioxidul de carbon este constanta (aceasta avand o proportie constanta de 0,033% ca volum pe cand pierderea de energie in vapori de apa este foarte variabila (continutul de vapori variaza de la 0,025% in conditii de desert pana la 1,8% in regiunile ecuatoriale umede). Se apreciaza ca pierderile totale de energie sub formele amintite variaza intre 10% si 30%. b. Influenta factorilor climatici Conditiile exterioare – temperatura, umiditate, radiatie solara, grad de nebulozitate al atmosferei, vant, presiune barometrica etc. – pot influenta prin

8

variatiile lor in perioade scurte de timp (caz in care conditiile exterioare sunt definite ca situatie atmosferica momentana) atat dimensionarea si alegerea unor elemente componente in sensul asigurarii unei inertii reduse, cat si indeosebi asupra alegerii sistemului de reglare si automatizare. De asemenea, variatia lor pe perioade mai indelungate (cand sunt denumite elemente climatice) isi pune amprenta asupra stabilirii sarcinii termice de calcul, a schemei generale de tratare a aerului, deci practic asupra tipului de instalatie ce trebuie adoptat. Influenta elementelor climatice este foarte complexa si poate fi discutata din punct de vedere al instalatiilor de ventilare si cliamtizare, sub aspectul fiziologic si a celui tehnologic. Din punct de vedere fiziologic clima are o deosebita influenta. “Se considera ca vremea rece, mai ales cea caracterizata printr-o altenanta de perioade reci si perioade blande, cu grade variabile de nebulozitate, precipitatii si vanturi, este un stimulent pentru activitatea fizica si intelectuala a omului” (A. Strahler – Geografia fizica, Bucuresti 1973). Din punct de vedere tehnologic trebuie avute in vedere cel putin urmatoarele aspecte:

- temperatura aerului exterior si variatia solara in stransa dependenta de gradul de vitrare, de gradul de izolare termica, de indicele inertiei termice si de orientarea elementelor delimitatoare exterioare ale incaperilor, influenteaza direct marimea sarcinii de racire in perioada de vara si marimea debitului de aer. Aceeasi atmosfera incarcata cu vapori de apa, bioxid de carbon si praf ridica temperatura aerului exterior datorita radiatiei difuze, iar noaptea se opune tendintei de cedare a caldurii prin radiatie de catre sol si obiectele inconjuratoare. - temperatura aerului exterior si umiditate a sa relativa influenteaza capacitatea racitorului in perioada de vara si a bateriei de preincalzire in perioada de iarna. - presiunea barometrica, chiar fara a se lua in seama variatiile ei anuale, de altfel sensibile, intervine prin valoarea sa medie ca marime de referinta pentru parametrii termodinamici ai aerului umed. Ar fi indicat de asemenea, ca la proiectarea unor astfel de instalatii pentru localitatile situate la altitudine sa se tina cont de marimea presiunii barometrice si la alegerea ventilatoarelor. Fara a se epuiza aspectele legate de influenta elementelor climatice, rezulta totusi importanta deosebita pe care o reprezinta cunoasterea lor in tehnica ventilarii si climatizarii. In cele ce urmeaza se cauta sa se defineasca parametrii climatici exteriori, asa cum intervin ei in metodologia de calcul a instalatiilor de ventilare si climatizare, in cazul celor doua regimuri distincte de vara si iarna.

9

2. Parametrii de calcul vara In tara noastra problema alegerii parametrilor climatici exteriori pentru

dimensionarea instalatiilor de ventilare si climatizare este reglementata prin STAS 6648/2-70, care inlocuieste vechiul STAS 4836-55 aplicat de 15 ani. Chiar de la inceputul aplicarii sale si apoi pe parcurs a aparut necesitatea precizarii si interpretarii juste a unor notiuni si date insuficient de lamurite in noul standard. Ca urmare acest STAS este in curs de revizuire in vederea imbunatatirii lui in continuare.

a. Temperatura aerului exterior In STAS 6648/2-70 se arata ca “dimensionarea instalatiilor de ventilare si conditionare pentru funcionarea in regim de vara se face pentru luna si orarul de ocupare a incaperilor pentru care actiunea parametrilor climatici exteriori, insumata cu degajarile interioare de caldura au valoarea maxima” cu exceptia incaperilor ocupate in mod sezonier sau ocupate cu intermitenta (scoli, teatre) la care perioadele de nefolosire se vor exclude. Acest mod de definire a uneia din problemele cheie ale dimensionarii instalatiile de ventilare si climatizare este cu totul insuficienta. In tehnica ventilarii si climatizarii se deosebesc cel putin doua situatii specifice, si anume: - cazul instalatiilor de climatizare care au rolul sa asigure conditiile de confort in interior chiar pentru parametrii climatici exteriori de mica frecventa, si - cazul instalatiilor de ventilare mecanica simpla si de ventilare naturala organizata, care au rolul sa limiteze maximal temperatura aerului interior pentru o frecventa de manifestare a parametrilor climatici exteriori, mai mare decat in primul caz. Inainte de a se defini diversele temperaturi care intervin in calculul instalatiilor de ventilare si climatizare este util sa se analizeze modul de exprimare teoretica si reala a temperaturilor exterioare. Temperatura exterioara te, parametru fizic real, care influenteaza marimea raporturilor de caldura patrunde in interior, are cu o suficienta aproximatie, o variatie de tipul:

( Mteme ττ242πcosAtt −+= ) (IB – 1)

unde tem – temperatura medie zilnica At - amplitudinea oscilatiilor de temperatura τ – ora pentru care este calculata temperatura τM – ora la care se realizeaza temperatura maxima, la noi circa 14...15 Prin STAS 6648/2-70 teritoriul tarii noastre este impartit in 9 zone de temperaturi exterioare diferentiate prin temperaturi medii zilnice si prin oscilatii (“abateri orare”) diferite. Valoarea orara a temperaturii exterioare de calcul intr-o anumita luna se determina cu fomula:

10

te = tz + Δt (IB – 2) in care: tz – temperatura de referinta pentru luna considerata in ºC Δt – abaterea orara a temperaturii exterioare la calcul fata de temperatura tz, in ºC. Este de observat ca in STAS 6648/1-70 si 6648/2-70, din acesta din urma fiind preluata relatia (IB-2), definirea lui tz este: “temperatura medie zilnica a aerului exterior pentru luna considerata”. Inexactitatea acestei definiri a lui tz se poate observa usor chiar din STAS 6648/1-70 (par.2.1.1.3) din care reiese ca temperatura medie zilnica este:

tem = tz + Δtm (IB – 3) De altfel aceasta problema poate fi lamurita in mod clar daca se tine seama de expresiile:

( ) ( ) ( mmzzMteme ΔtΔtΔttΔttττ 242πcos Att −++=+=−+= )

din care rezulta: tem = tz + Δtm (IB – 4)

si ( ) mMt ΔtΔtττ242πcosA −=− (IB – 5)

Din relatia IB – 3 apare clar ca nu tz este temperatura medie zilnica asa cum se spune in STAS si tz+Δtm, adica in zonele climatice de temperatura au fost incluse localitatile pentru care oscilatiile orare ale temperaturii aerului exterior (Δt-Δtm) fata de valoarea medie (tem=tz+Δtm) sunt aproximativ aceleasi, dar prin introducerea valorii tz, care apare ca o “temperatura de referinta” in functie de localitate si luna, au fost diferentiate temperaturile medii ale aerului exterior chiar in cadrul aceleiasi zone climatice.

i

In sprijinul interpre- tarii de mai sus se reproduce in fig. IB – 5, pe baza valorilor indicate in STAS 6648/2-70, variatia diurna a temperaturii aerului exterior pentru Bucuresti pentru lunile iulie si august. Fig. IB – 6. Variatia diurna a temperaturiaerului exterior pentru Bucuresti —·—, — —, ——, tz; tem;teluna iulie

11

Din relatia IB – 5 rezulta ca pentru a pastra sensul fizic al lui te, ar fi fost util (ca in tabelul 2, din noul standard) sa fie indicate valorile Δt – Δtm si tem, adica abaterea fata de temperatura exterioara medie tem si nu fata de temperatura de referinta tz. Cu observatiile de mai sus si cu valorile din STAS 6648/2-70 se pot defini urmatoarele temperaturi care intervin in calculul instalatiilor de ventilare si climatizare: - temperatura exterioara, te care influenteaza aporturile de caldura patrunse in incaperi:

te = tz + Δt (IB – 6) unde: tz - ... a se citi temperatura de referinta, in funcite de localitatea si luna pentru care se calculeaza valoarea lui te, conform STAS 6648/2-70. Δt - ... abaterea orara a temperaturii aerului exterior, caracteristica unei anumite zone climatice din care face parte localitatea respectiva si ale carei valori sunt indicate in STAS 6648/2-70. - temperatura medie a aerului exterior, tem

tem = tz + Δtm (IB – 7) unde:

Δtm – abaterea medie a oscilatiilor de temperaturi fata de temperatura de referinta - temperatura exterioara de calcul vara, tev, care serveste la reprezentarea punctului de stare a aerului exterior si care influenteaza dimensionarea unor elemente componente ale agregatului de climatizare (camera de pulverizare, bateria de racire) se stabileste astfel: - se va reprezenta in diagrama i-x curba temperatura exterioara _ umiditate relativa, spre exemplu, pentru Bucuresti – oras corespunde zona a IX –a de umiditate, iar curba corelata temperatura – umiditate este retranspusa in diagrama i-x, ca in fig. IB – 7. Curba C, are intr-un punct M, i = imax, in functie de care se poate stabili starea aerului exterior, pentru diverse localitati incadrate in aceeasi zona de umiditate, si anume: - daca, pentru localitatea respectiva este mai mare decat tΔttt z

maxe += M, atunci

se va lua tev = tM - daca calculeaza ca mai sus este mai mica decat tmax

et M atunci tev se ia egala cu , punctul de stare al aerului vara considerandu-se la intersectia acestei temperaturi cu curba

maxet

12

Fig. IB – 7. Stabilirea punctului de stare a aerului exterior vara pentru instalatiile de climatizare

Pentru instalatiile de ventilare mecanica si ventilare naturala organizata,

temperatura aerului exterior se va considera egala cu temperatura aerului exterior corespunzatoare lunii iulie pentru ora 14, inmultita cu coeficientul 0,85. Observatie importanta, este de retinut cu privire la faptul ca marea aglomeratie de locuinte din centru oraselor, inertia termica ridicata a acestora, face ca temperatura aerului exterior vara sa fie cu circa 2 grade mai ridicata decat temperatura aerului indicata de observatoarele meteorologice care se gasesc de regula mai la periferie sau in zone degajate. Reducerea vitezei vantului in localitati cu pana la 30% impiedica racirea normala din timpul noptii astfel ca minimele temperaturii aerului exterior sunt cu circa 5 grade superioare celor de calcul.

b. Umiditate relativa a aerului exterior Fiecare localitate este incadrata dupa noul STAS intr-o zona de umiditate (in total 16 zone de umiditate relativa). In cazul instalatiilor de climatizare ea intervine si in stabilirea punctului care reprezinta starea aerului exterior vara si care rezulta confrom procedeului indicat mai sus.

c. Radiatia solara Depinde de latitudinea geografica, de altitudine, de gradul de nebulozitate al atmosferei, de orientarea elementului de constructie luat in consideratie si de ora zilei. Dupa cum se poate vedea si din fig. IB – 8, gradul de nebulozitate al atmosferei de deasupra localitatii respective joaca un rol important in reducerea intensitatii radiatiei solare.

13

a.

b. Fig. IB – 8. Radiatia solara totala (directa+difuza) pentru diferite orientari, in luna iulie la 50o latitudine nordica

14

Pentru marile orase sau centre puternic industrializate, deasupra carora exista un smog permanent, se poate folosi pentru factorul de nebulozitate valoarea T = 4 (cu exceptia centrului localitatii unde valoarea este mult depasita) iar pentru restul localitatilor valoarea 3 (fig. IB – 8 a, respectiv b). In cazul catorva localitati, pentru care exista masuratori sistematice, se indica in continuare factorul de nebulozitate, T: Gdansk ....... T = 3,5 Potsdam........... 3,9 Varsovia........ 4,1 Londra............ 5,1 Aachen........... 4,0 Paris............... 4,7 Viena............. 4,1 Florenta.......... 4,3 Prin STAS 6648/2-70 sunt adoptate aceleasi valori pentru toate localitatile tarii, nediferentiate dupa gradul de nebulozitate.

d. Viteza vantului In situatia de vara viteza vantului nu prezinta importanta deosebita

deoarece zilele cu insolatie puternica, care hotarasc sarcina termica de vantilare sunt linistite din punct de vedere al miscarii aerului exterior. Totusi, cunoasterea directiei predominante de bataie a vantului este bine a fi cunoscuta pentru a se putea amplasa judicios priza de aer si gura de evacuare a aerului viciat din interior. 3. Parametrii de calcul iarna a. Temperatura aerului exterior iarna Aceasta marime intervine atat in intocmirea bilantului termic cat si la stabilirea puctului de stare a aerului exterior. In conformitate cu STAS 6648/2-70, pct.3.2.1., in ipoteza ca este necesara aspiratia aerului exterior tot timpul anului, aceasta temperatura se va lua egala cu cea din STAS 1907 – 68, pentru localitatea respectiva. Pe aceleasi considerente, aratate in cazul verii, temperatura aerului exterior in centrul localitatilor este mai ridicata cu circa 1 grad fata de cea de calcul. b. Umiditatea relativa a aerului exterior iarna Conform STAS 6648/2-70, (pct. 1.2.1), φe = 80% pentru toate localitatile tarii. c. Radiatia solara iarna Nu prezinta importanta pentru instalatiile de ventilare decat in masura in care STAS 1907 – 68, tine cont de aceasta la adaosul pentru pierderile de caldura.

15

d. Viteza vantului iarna In afara de influenta asupra calculului pierderilor de caldura si asupra pozitiei relative priza la aer – cos de evacuare a aerului viciat in exterior, viteza vantului poate inrautati senzatia de confort interior prin marirea infiltratiei de aer rece. Pentru a contracara acest ultim efect se recomanda pe langa alte mijloace constructive adoptate, ca instalatia de ventilare in perioada de iarna sa functioneze in suprapresiune. Pentru intocmirea corecta a bilantului termic de iarna (sarcina de incalzire), respectiv pentru a putea determina in mod corespunzator infiltratia de aer in cazul cladirilor inalte, se indica in fig. IB – 9 variatia vitezei vantului cu inaltimea, in raport cu viteza vantului la o inaltime de 10 m fata de sol. Graficul a fost intocmit pe baza relatiei:

0,13

10H 10Hvv ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= [m/s] (IB – 8)

in care: v10 – viteza vantului la o inaltime de 10 m de sol vH – viteza vantului la inaltimea H fata de sol H – inaltimea incaperii fata de sol pentru care urmeaza sa se determine infiltratia de aer.

Fig. IB – 9. Variatia vitezei vantului pe verticala

4. Concentratia gazelor, vaporilor si prafului in aerul exterior Concentratia gazelor, vaporilor si prafului in aerul atmosferic este foarte variabila in timp si spatiu fiind dependenta de departarea de sursele de impurificare, de functionare a acestora, de starea vremii (vant, ploaie), de ora zilei, etc. Odata cu aerul de ventilare se introduce in incaperi si o anumita cantitate de gaze, vapori si praf, corespunzatoare locului de unde se aspira aerul proaspat. Chiar si in cazul in care priza de aer proaspat se ia dintr-o zona verde, se introduc in incaperi cu aerul de ventilare, gaze, bioxid de carbon, bioxid de sulf, vapori (de plumb, de exemplu), praf etc.

16

Concentratiile nominale de gaze, vapori si praf din aerul atmosferic, exprimate in l/m3 sau mg/m3 sunt indicate in tabelul IB – 1.

Tabelul IB – 1 Concentratia nocivitatilor in aerul exterior

Concentratia nocivitatilor, in Nocivitatea din aerul atmosferic mg/m3

l/m3 buc/m3

A. In orase si mediu rural 1. Bioxid de carbon - mediu rural - oras mic - oras mare 2. Bioxid de sulf 3. Vapori de plumb 4. Praf - mediu rural (ploaie) - mediu rural (seceta) - orase mari: - zona de locuit - zona industriala 5. Microorganisme, microbi, bacterii - mare, munte - parcuri - strazi B. In incintele zootehnice 1. Bioxid de sulf 2. Hidrogen sulfurat 3. Amoniac 4. Praf

500 600 750

0,5...1,0 0,10

0,05 0,15

0,40 0,75

- - - - - -

50

0,33 0,40 0,50

- - - - - - - - -

0,50 0 0 -

- - - - - - - - -

0 750 4000

- - - -

In incintele fabricilor, uzinelor si mai ales marilor combinate, aerul exterior este puternic impurificat cu diverse noxe (specifice proceselor de productie si care se pot determina prin masuratori la fata locului), astfel ca este necesar uneori sa se aduca aerul de la distanta mare, de la inaltime mare, sau sa fie epurat inainte de a-l introduce in incaperi.

17

C. Parametrii de calcul ai aerului exterior 1. Confortul termic al incaperilor Cea mai mare parte a timpului omul isi desfasoara acitivitatea sau se

odihneste in interiorul incaperilor, astfel ca apare ca necesara crearea unor conditii care sa ofere din punct de vedere igienic, mediul cel mai potrivit traiului sau muncii cu randament cat mai ridicat.

De aceea, preocuparea pentru asigurarea conditiilor optime de climat interior corespunzator specificului muncii desfasurate de oameni reprezinta o trasatura esentiala in dezvoltarea tehnicii ventilarii si climatizarii pe plan mondial. Totalitatea conditiilor interioare care conduc la alcatuirea unei ambiante in care omul sa se simta bine in timpul activitatii sau odihnei sale, definesc asa-numitul “confort”.

Senzatia de confort este asigurata pe de o parte de anumiti factori legati de schimbul normal de caldura dintre om si mediul ambiant si care constituie “confortul termic”, iar pe de alta parte de factori derivati, cum ar fi puritatea aerului, luminozitatea incaperii, nivelul de zgomot, gradul de ionizare a aerului, elementele estetice ale incaperii, etc. Rezultatele numeroaselor cercetari medicale au aratat ca rolul principal in cadrul conditiilor de microclima il au un comlex de parametrii, care asigura omului senzatia de confort termic optim cum ar fi: temperatura aerului interior, umiditatea relativa corespunzatoare, viteza de miscare a aerului si temperatura medie de radiatie a elementelor delimitatoare ale incaperii, la care se adauga factorii derivati amintiti mai sus. Starea de confort este influentata de asemenea de imbracaminte, felul activitatii, sex, varsta, anotimp si altele.

Din punct de vedere senzorial confort termic inseamna in primul rand lipsa senzatiei neplacute de frig sau cald iar din punct de vedere biologic confort inseamna asigurarea evacuarii caldurii interne a omului fara suprasolicitarea sistemului termoregulator.

Asigurarea parametrilor mentionati mai sus la anumite valori corespunzatoare activitatii desfasurate de oameni, consitutie asigurarea confortului interior.

In procesul arderilor interne, corpul omenesc prin metabolismul sau produce o cantitate de caldura care depinde in special de felul activitatii desfasurate si de temperatura mediului inconjurator, dar care variaza si cu varsta, sexul, etc.

Pentru a se putea forma o imagine asupra ordinului de marime a caldurii produse de om, se reproduce in tabelul IC – 1, metabolismul la diferite feluri de activitati, cifre valabile pentru oamenii maturi.

18

Tabelul IC – 1 Metabolismul la diferite feluri de activitate

Felul muncii Activitatea Metabolism kcal/h, pers.

Somn linistit Asezat linistit

63 100

Munca usoara

- asezat, miscari moderate a bratelor si trunchiului, lucru la birou, scris la masina - asezat, miscari moderate ale bratelor si picioarelor (ex. Conducerea autovehiculelor) - munca usoara in picioare la masina sau banc in special miscari ale bratelor

114 – 138 138 – 164 138 - 164

Munca moderata

- asezat, miscari puternice ale bratelor si picioarelor - munca usoara la masina sau banc, cu deplasari scurte - munca moderata la masina sau banc, insotite de deplasari scurte - deplasari de la un loc la altul cu ridicari sau impingeri scurte

164 – 204 164 – 189 189 – 252 252 - 352

Munca grea - munca grea de ridicare, tragere, impingere - intermitenta - munca grea continua

374 – 504 504 - 605

Se apreciaza ca, in medie circa 80% din energia produsa de corp se evacueaza catre mediul inconjurator sub forma de caldura. Daca se are in vedere ca omul mai poate primi caldura si de la mediul inconjurator, atunci bilantul sau termic, sub forma cea mai generala, poate fi scris tinand seama ca pentru mentinerea temperaturii corpului omenesc la o valoare constanta este necesar ca pierderile de caldura catre mediul ambiant sa fie echivalente cu caldura interna produsa (QM). Aceste pierderi de caldura se produc sub forma de caldura perceptibila (sensibila) – prin convectie1 (Qvc), radiatie2 (Qr) si conductie3 (Qcd) si sub forma de caldura latenta (Ql) datorita 1 Convecţie - Transfer de căldură sau de curent electric care are loc într-un mediu lichid sau gazos, prin deplasarea substanţei respective 2 Radiaţie - emisiune şi propagare în toate direcţiile a energiei sub formă de unde acustice, calorice, electromagnetice etc.; emisiune a unui fascicul de particule. 3 Conducţie - fenomenul trecerii cãldurii sau electricitãţii prin corpuri conducătoare

19

evaporarii transpiratiei si in buna parte datorita procesului de respiratie. Relatia de bilant care asigura confortul termic se poate scrie sub forma:

QM = Qcv + Qr + Qcd + Ql = const [kcal/h] (IC – 1) Trebuie sa se tina seama ca pentru aceeasi persoana, la o anumita intensitate a activitatii fizice, caldura interna produsa este sensibil constanta si ca, in raport cu celelalte marimi, caldura pierduta prin conductie este foarte mica si deci poate fi neglijata. De asemeni, daca se considera ca Ql = const, ecuatia de bilant termic devine:

QM – Ql = Qcv + Qr = const [kcal/h] (IC – 2) Rezulta deci ca in principal schimbul de caldura prin convectie si radiatie determina senzatia de confort termic. Este de mentionat ca senzatiile de inconfort apar cand pierderile de caldura nu echivaleaza caldura interna produsa de organism. Astfel senzatia de “prea cald” apare cand Qpierderi < QM iar senzatia de “prea rece” cand Qpierderi >QM. Nu trebuie sa se uite faptul ca omul dispune de un sistem propriu de autoreglare a echilibrului termic care la diferente relativ reduse intre QM si Qpierderi intervine rapid. Daca factorii de mediu supun corpul omenesc la un schimb mai mare de caldura, corpul reactioneaza mai intai prin sistemul sau termoregulator, inchizand porii, contractand pielea sau chiar prin diminuarea circulatiei sanguine care face sa scada temperatura pielii, reducand in felul acesta diferenta dintre temperatura pielii si cea a mediului inconjurator. Daca si pentru aceasta, noua diferenta de temperatura corpul este obligat sa cedeze mai multa caldura decat ii este necesar fiziologic, pentru a nu fi afectata caldura sa interna, si reactioneaza pentru perioade relativ scurte de timp prin intensificarea activitatii musculare, cunoscuta sub numele de tremurat, adica incercand sa produca o cantitate de caldura suplimentara. Peste aceasta limita, temperatura interna a organismului incepe sa scada, ceea ce produce tulburari fiziologice inclusiv moartea. Invers, daca temperatura mediului inconjurator creste si impiedica corpul uman sa-si realizeze schimbul necesar de caldura cu mediul, atunci organismul reactioneaza la inceput prin dilatarea porilor si marirea deci, a suprafetei de schimb. Daca in acest fel echilibrul termic nu este refacut, intra in functiune glandele sudoripare, care reactioneaza impotriva supraincalzirii interne sa cedeze mediului caldura acumulata, odata cu evaporarea apei de pe suprafata pielii. Daca nici acest procedeu nu reuseste sa refaca echilibrul termic, atunci organismul uman este supus pericolului supraincalzirii care atrage dupa sine tulburari fiziologice la fel de grave ca si in cazul subracirii organismului. Se subliniaza ca, tabloul infatisat mai sus privind reactia organismului uman in cazul cand nu sunt create conditiile normale pentru asigurarea echilibrului sau termic este deosebit de simplist, ca in realitate senzatia de confort depinde in afara factorilor mentionati – temperatura, umiditate, viteza de

20

miscare a aerului interior si de temperatura medie de radiatie a suprafetelor inconjuratoare – si de o serie de alti factori cum ar fi temperatura si natura pardoselilor, gradientul de temperatura pe verticala, volumul construit ce revine unui ocupant, prospetimea aerului, varsta, sexul, constitutia fizica generala, felul nutritiei si activitatea musculara depusa, felul imbracamintii, capacitatea de aclimatizare etc. Schimbul de caldura prin convectie al corpului omenesc de temperatura tM, cu aerul inconjurator de temperatura ti, se poate scrie sub forma:

Ccv = αcv SM (tM – ti) [kcal/h] (IC – 3) Asupra valorii coeficientului de schimb superficial prin convectie, αcv, este determinanta viteza de miscare a aerului vi. Intrucat pentru acelasi individ SM = const (SM – suprafata corpului omenesc) si tM = const, rezulta ca pierderea de caldura prin convectie este dependenta de ti si vi, care constituie doi din factorii principali ai confortului termic. Schimbul de caldura prin radiatie intre corpul omenesc si suprafetele ce delimiteaza incaperea se poate scrie sub forma uzuala:

Qr = αr φ S (t*M M – Qmr) [kcal/h] (IC – 4)

αr – coeficientul de schimb superficial prin radiatie φ – coeficient de iradiere - suprafata corpului omenesc pentru schimbul radiant. *

MS Din aceasta relatie se desprinde dependenta lui Qr de marimea temperaturii medii de radiatie a incaperii θmr, care poate fi determinata cu formula:

∑∑=

n

nnmr S

eSθ [ºC] (IC – 5)

in care Sn se refera la aria fircarei suprafete a elementelor de constructie ce delimiteaza incaperea (ferestre, pereti interiori, pereti exteriori, plafon, pardoseala, suprafete incalzitoare, etc.) iar θmr fiind temperatura fiecareia din aceste suprafete. In relatia (IC -4) coeficientul de schimb superficial prin radiatia αr este influentata, in afara de temperatura θmr, de coeficientii de radiatie C care pot fi considerati constanti in cazul de fata ( pentru elementele de constructie si corpul omenesc). De asemenea in aceeasi relatie (IC – 4) coeficientul de iradiere poate fi considerat φ = 1, intrucat se face ipoteza ca schimbul de caldura prin radiatie se poate produce intre om si elementele de constructie ale incaperii care il inconjoara complet. Datorita numarului mare de factori care influenteaza starea de confort si mai ales datorita sensibilitatii diferite a oamenilor de conditiile de mediu, diagramele complexe care stabilesc domeniul de variatie in ansamblu a parametrilor confortului termic au inca o valoare mai mult teoretica. Pentru

21

mentinerea senzatiei de confort este necesara variatia corelata a factorilor principali, astfel ca la scaderea unui parametru trebuie sa creasca in mod corespunzator un altul in asa fel incat Qr + Qcv = const. Practic asigurarea tuturor acestor parametrii la valorile prescrise reprezinta un lucru destul de costisitor, motiv pentru care in functie de destinatia incaperii si specificul activitatii desfasurate de oameni se indica in literatura de specialitate valori prescrise pentru unul sau doi dintre acesti factori, pentru ceilalti aplicandu-se limite mai largi de variatie. Pe acest motiv in cele ce urmeaza se va prezenta influenta fiecarui factor asupra senzatiei de confort, ca si actiunea corelata a cate doi si trei din acesti factori.

a. Temperatura aerului interior, ti Este factorul principal asupra caruia putem actiona direct o instalatie de

incalzire, dar si de ventilare si climatizare. Variatii relativ reduse ale temperaturii aerului interior sunt sesizate imediat in organismul uman, care trebuie sa faca fata rapid noilor modificari pentru a mentine constanta schimbul de caldura cu mediul ambiant. Calitativ, temperatura aerului interior trebuie sa fie mai ridicata cand omul este in stare de repaos si mai lejer imbracat si cu atat mai coborata cu cat omul depune un efort fizic mai insemnat tocmai pentru a permite organismului cedarea caldurii interne produse, mult mai mare in acest caz. Foarte importanta este insa si uniformitatea temperaturii aerului in incaperi.

b. Temperatura medie de radiatie, θmr Se defineste ca medie ponderata a temperaturilor superficiale

interioare a elementelor care delimiteaza incaperea (pereti, plafon, pardoseala) studiata si a temperaturii superficiale a corpurilor de incalzire (vezi, relatia IC – 5). Valoarea temperaturii medii de radiatie determina marimea schimbului de caldura radiant al omului cu mediul ambiant. Temperatura medie de radiatie trebuie intotdeauna corelata cu temperatura aerului interior. Cresterea temperaturii medii de radiatie trebuie sa fie insotita de scaderea temperaturii aerului interior si invers. Sunt cunoscute de exemplu din literatura de specialitate ca la incaperile puternic vitrate imbunatatirea senzatiei de confort se obtine prin ridicarea temperaturii aerului interior cu 2-3ºC fata de temperatura prevazuta in STAS 1907-68 sau invers in cazul incintelor incalzite prin radiatie, scaderea temperaturii aerului interior cu 1-2ºC aduce o senzatie de prospetime si vioiciune asupra ocupantilor. c. Temperatura rezultanta (resimtita), tR Hotaratoare asupra confortului sunt atat temperatura aerului interior cat si temperatura medie de radiatie. Corpul omenesc sesizeaza insa influenta combinata, simultana a acestor doua temperaturi, astfel ca a fost necesara introducerea unei notiuni noi – temperatura rezultanta sau temperatura resimtita.

22

De obicei pentru medii linistite si cu umiditate relativ normala se calculeaza ca medie aritmetica a temperaturilor aerului interior si medie de radiatie:

2θtt mri

R+

= [ºC]

d. Umiditatea relativa a aerului interior Schimbul de caldura al omului cu mediul ambiant se face si prin evaporarea apei la suprafata pielii, evaporare care depinde de diferenta tensiunilor vaporilor de apa corespunzatoare temperaturii medii a corpului imbracat (circa +26...+27ºC) si temperaturii aerului interior (circa +20...22ºC). La temperaturi obisnuite ale incaperilor (+20...22ºC) cedarea de caldura prin evaporare este redusa. Din acest motiv si umiditatea relativa a aerului joaca un rol redus. In mod normal un om cu greu poate deosebi umiditati relative cuprinse in domeniul 30...70%, fapt pentru care limitele admisibile in incaperi s-au adoptat chiar acestea. La umiditati relative mici formarea si circulatia prafului este mutl usurata. Acesta la stingerea corpurilor de incalzire se calcineaza producand amoniac si alte gaze care sunt sesizate de om. Limita inferioara a umiditatii relative a aerului interior se recomanda sa fie 30..35%. Limita superioara, de 70%, se recomanda pentru a impiedica condensarea vaporilor de apa din aerul incaperii la atingerea suprafetelor mai reci, condensari ce favorizeaza de asemenea aparitia unor mirosuri neplacute. La temperaturi ale aerului interior mai ridicate, cresterea umiditatii relative incepe sa joace direct un rol negativ asupra organismului deoarece pe langa reducerea cedarii de caldura pe cale uscata, este franata si cea de-a doua posibilitate de evacuare a caldurii interne a organismului, cea pe cale umeda.

e. Viteza de miscare a aerului din incaperi, vi In interiorul incaperilor este de dorit sa nu exite o miscare accentuata a aerului. De obicei deranjeaza miscarea aerului cu temperatura mai mica decat a incaperii si cand jetul este indreptat spre anumite parti ale corpului. Apare in aceste cazuri senzatia de curent. Sensibilitatea la curent este foarte diferita la oameni si dependenta in principal de varsta, starea sanatatii, sex, rasa, imbracaminte, etc.Viteza de miscare a aerului trebuie aleasa diferentiat, corespunzator destinatiei incaperii si felului activitatii depuse.In cazul celor mai ridicate exigente de confort termic se recomanda ca viteza de miscare a aerului sa fie de 0.10...0,15 m/s. Lipsa de miscare a aerului poate fi insa la fel de suparatoare ca si o viteza prea mare a acestuia.

2. Relatii intre parametrii confortului termic Legaturi intre doi sau mai multi parametrii ai confortului termic se pot

exprima atat analitic cat si grafic. Se prefera, din motive de simplitate, reprezentarea grafica a diverselor legaturi.

23

a. Dependenta dintre temperatura aerului interior ti si umiditatea relativa φi, este indicata in figura IC -1 dupa Lancaster-Castens (modificata de Ruge). Se poate observa ca odata cu cresterea temperaturii aerului se mareste caldura eliminata de corpul uman prin transpiratie. Pe masura ce umiditatea relativa creste, evaporarea la suprafata pielii este franata si apare zaduful. Se va cauta deci sa se evite ridicarea temperaturii aerului interior cand umiditatea relativa este necesara din anumite considerente sa fie mare.

Fig. IC – 1. Dependenta dintre temperatura aerului si umiditatea relativa corespunzatoare

b. Dependenta dintre temperatura aerului interior ti si temperatura medie

de radiatie, θmr, este indicata dupa Nielsen si Petersen in fig. IC – 2. Confortul termic dupa cum se vede este indicat sub forma unei zone cu limite largi pentru a satisface un numar cat mai mare de persoane. Temeraturea medie a aerului se recomanda sa nu iasa in afara limitelor +15...+25oC.

Figura IC – 2. Dependenta dintre temperatura medie de radiatie si temperatura aerului

c. Dependenta dintre temperatura aerului interior, ti si viteza de miscare a

aerului din incapere in zona de sedere, vi este aratata in fig. IC – 3. Senzatia de curent este resimtita in general in situatiile vi, ti, de deasupra curbei. Trebuie avuta insa in vedere sensibilitatea diferita a oamenilor fata de miscarea aerului, senzatia de curent aparand la unele persoane la viteze foarte miciale acestuia. Datorita faptului ca diversele parti ale corpului au sensibilitate diferita, se recomanda ca viteza aerului sa nu depaseasca 0.30 m/s, in afara cazurilor in care se depune o activitate fizica.

In fig. IC-4, este reprezentata in diagrama i-x dependenta dintre φi, ti, ii, xi si in care pe baza masuratorilor experimentale sunt puse in evidenta doua zone. Zona din dreapta verticalei x = 12 g/kg, ca domeniu in care apare

24

zapuseala si zona de deasupra entalpiei i = 24...25 kcal/kg, ca domeniu in care activitatea nu mai este posibila.

Fig. IC – 3. Dependenta dintre temperatura si viteza Fig. IC – 4. Dependenta dintre temperatura de miscare a aerului umiditate relativa si entalpie

3. Criterii de apreciere a confortului termic Numeroase cercetari efectuate in ultimii ani asupra acestei probleme, au

abordat in general doua directii si anume: - Stabilirea unor indici tehnici care sa exprime cat mai cuprinzator

senzatia de confort. - Studiul efectelor pe care le au conditiile de microclimat asupra

omului si a rezultatelor muncii sale. In privinta primei probleme enuntate, cercetarile au avut in vedere

exprimarea starii de confort prin formule sau diagrame complexe care sa tina cont de 2, 3 sau chiar toti cei 4 parametrii importanti. Cu observatia ca in loc de umiditate relativa se poate folosi temperatura dupa termometrul uscat si dupa termometrul umed, a aparut ideea ca factorii de mediu pot fi exprimati printr-o temperatura echivalenta, sub forma:

techiv = c1 ti + c2 ti’ + c3 θmr ± c4 wn (IC-6)

unde: ti, ti

’ – temperatura aerului dupa termometrul uscat, respectiv umed, θmr – temperatura medie de radiatie a suprafetelor inconjuratoare,

c1, c2, c3 – constante de echivalenta c4 – constanta (exponent) de echivalenta si omogenizare a

termenului w – viteza de miscare a aerului interior. In functie de numarul de factori de care au tinut seama si de modul

conceput pentru masurarea lor au aparut o serie de temperaturi “de echivalenta” cum ar fi: rezultanta efectiva, efectiva corectata, echivalenta, operativa sau

25

temperatura a termometrului sferic. Pentru fiecare caz in parte s-au intocmit si diagrame cu ajutorul carora se poate aprecia starea de confort.

Apreciindu-se ca cercetarile destul de vaste asupra primei probleme au inca o valoare mai mult teoretica, ca nu a fost fixata o metodologie privind aprecierea confortului cu aplicare universala, se vor indica in paragraful urmator anumite criterii si valori pentru principalii parametri care contribuie la realizarea starii de echilibru termic a corpului omenesc, valori necesare la stabilirea conditiilor de microclimat in incintele ventilate sau climatizate.

In privinta celui de-al doilea aspect al problemei rezultatele par mai spectaculoase si cu aplicabilitate imediata in sensul ca unele cercetari au aratat ca asigurarea conditiilor optime de microclimat la locul de munca in afara de efectele fiziologice pozitive pe care le are asupra ocupantului, contribuie si la reducerea numarului de rebuturi, limiteaza defectarea masinilor provocate de lipsa de atentie, ducand in general la cresterea productivitatii muncii.

4. Parametrii de calcul vara Asa cum s-a mentionat la paragraful anterior pentru realizarea starii de

confort termic corespunzatoare unui anumit specific de activitate, factorii care conditioneaza realizarea bilantului termic al omului trebuie asigurati la anumite valori sau sa fie mentinuti intre anumite limite in functie de importanta lor. Se indica mai jos modul de stabilire a acestor valori – denumite parametrii de calcul – si prescriptiile normelor noastre cu privire la ele, separat pentru situatie de vara si iarna. Se atrage de asemenea atentia ca acesti parametrii constituie date de baza in proiectarea instalatiilor de ventilare si climatizare, ceea ce face ca la alegerea lor sau la strictetea de mentinere a lor sa intervina si considerente economice.

a. Temperatura interioara de calcul, ti Prin aceasta se intelege temperatura aerului masurata in centrul incaperii

la inaltimea de 1.5 m de la pardoseala. In tehnica ventilarii, pentru situatia de vara se adopta una din urmatoarele

temperaturi: - pentru incaperi ventilate mecanic sau natural, fara cerinte tehnologice

speciale: ti = tem + Δt (IC – 7)

unde: tem - temperatura medie a aerului, conform STAS 6648-70, Δt = 3-5ºC, diferenta de temperatura admisibila pentru aerul

interior, si anume: - pentru incaperi cu degajari relativ mici de caldura (sub

20kcal/m3h) se va considera Δt = 3ºC, dar ti nu va depasi valoarea de 31ºC.

- pentru incaperi cu degajari mari de caldura (peste 20kcal/m3h) Δt = 5ºC, dar ti nu va depasi valoarea de 33ºC.

26

- pentru incaperi social-culturale climatice, realizate pentru asigurarea confortului termic:

2

t20t ev

i+

= (IC-8)

unde: tev – temperatura exterioara de calcul vara, stabilita conform paragrafului IB-2. In general nu este indicat sa se adopte temperaturi interioare mai scazute decat cele rezultate din relatia IC-8 deoarece, in afara implicatiilor de ordin economic, in perioada de vara omul este sensibil la trecerea de la cald (din exterior) la mai rece (in interior). De obicei la incaperile climatizate diferenta de temperatura dintre exterior si interior nu trebuie sa depaseasca 6...7ºC. Pentru incaperi de productie in care procesele tehnologice cer anumite conditii de microclima, se adopta temperatura interioara dupa indicatiile tehnologilor. In cazul in care acestia indica intervale mai largi de temperatura, se adopta temperatura cea mai apropiata de cea necesara asigurarii confortului termic al mincitorilor.

b. Umiditatea relativa a aerului interior, φi In cazul instalatiilor de confort umiditatea relativa a aerului din incaperi poate fi cuprinsa intre 30% si 70%. Pentru calculul instalatiilor de climatizare se adopta pentru φi valori de ordinul 50...60%.

Valoarea maxima a umiditatii relative este limitata in functie de temperatura aerului interior, in vederea evitarii senzatiei de zapuseala:

ti 22 23 25 26 (ºC) φi 70 67 60 56 (%)

Se mentioneaza ca in cazul unor incaperi de productie climatizate (industria usoara, alimentara, constructoare de masini – prelucrari de mare precizie, unele laboratoare) umiditatea relativa a aerului interior este prescrisa la anumite valori, justificate din punct de vedere tehnologic. Dintre toti factorii care conditioneaza confortul interior, temperatura prezinta importanta cea mai mare, motiv pentru care si prescriptiile cele mai amanuntite sunt date pentru acest parametru. Cercetarile fiziologice si tehnologice tind insa din ce in ce mai mult sa indice valori pentru perechi de factori de confort, cum ar fi spre exemplu in cazul urmatoarelor procese tehnologice: t[ºC] φ[%] - prelucrarea pieselor de precizie 24 45 – 50

- fabricarea si ajustarea instrumentelor de precizie 20 – 24 45 – 50 - etalonarea si controlul aparaturii si instrumentelor de precizie 20 45 – 50

27

- asamblarea aparatelor de masura si control 20 45 – 50 Unele cercetari ridica problema limitarii diferentei de temperatura intre

cap si picioare la maxim 2.5 grd, ceea ce poate avea implicatii serioase asupra modului de distribuire a aerului.

c. Viteza de miscare a aerului Dupa cum s-a aratat, viteza aerului in zona de lucru (de sedere) este

cuprinsa intre 0.15 – 0.30 m/s, fiind dependenta de temperatura interioara adoptata.

5. Parametrii de calcul iarna a. Temperatura de calcul a aerului interior, ti Este indicata corespunzator destinatia incaperii in tabelul IC-2, sau este

prescrisa la alte valori considerente tehnologice. Tabelul IC-2 Temperatura aerului interior in incaperile cladirilor civile, in ºC

Nr. crt Denumirea incaperii Temperatura

1 2 3 1. Institutii publice si administrative

- Birouri - Sali de conferinte si festivitati - Sali de lectura - Depozite de carti - Arhive - Garderoba, holuri, vestibuluri - Vestiare, dusuri - W.C. –uri

2. Institutii culturale

- Sali de adunare, conferinte, concerte - Expozitii - Muzee - Sali de sah, biliard, tenis de masa - Garderobe, holuri, vestibuluri

3. Scoli, facultati

- Sali de clasa - Laboratoare - Amfiteatre, sali de conferinte - Camere de lectura, sali de desen - Ateliere

20...22 18...20 18...20 15...20 18...20 15..18

22 15...18

18...20 16...20 16...20

20 15...18

18...20 18...20 18...20

20 18

28

- Sali de gimnastica

4. Crese, gradinite - Camere de joc in crese, gradinite - Dormitoare, sali de mese - Bai si dusuri - Cabinete medicale - Camere pentru rufe curate - Camere pentru rufe murdare - Bucatarii

5. Holuri, camine - Camere - Holuri, vestibuluri, garderobe - Bai si dusuri - Birouri - Sali de lectura, sah, biliard, tenis de masa - Restaurante, cofetarii, frizerii - Magazii, depozite - Ateliere - Spalatorii, calcatorii

6. Spitale, clinici, maternitati

- Rezerve, saloane pentru bolnavi - Rezerve, saloane pentru chirurgie - Camere, saloane pentru sugari - Camere, saloane pentru lauze - Cabinete medicale, sali de asteptare - Sali de operatie si nastere - Sali pentru masaje - Electroterapie, Roentgen - Hidroterapie - Bai, dusuri, vestiare

7. Teatre, cinematografe

- Sali de cinematograf, teatru - Garderobe, foaiere, vestibuluri - Depozite de decoruri, costume - Cabinete de proiectie - Camera de acumulatori

15...18

22...20 20 24 24

16...18 16...18 8...10

20...22 18 22

20...22 20

18...20 10...15

18 15...20

22 22...24

24 22...24

22 25 22 22 24 24

20 18

18...12 18 10

29

8. Bai publice - Bai, dusuri - Bai de abur - Bai de aer cald - Bai de aer fierbinte - Camere de dezbracare - imbracare, odihna

dupa baie - Hale de inot - Cabinete medicale, sali de masaje - Depozit de rufe curate - Depozit de rufe murdare

9. Magazine, restaurante, cantine

- Magazine diverse - Magazine pentru alimente - Sali de mese - Depozite - Garderobe - Bucatarii - Sali pentru prepararea carnii, zarzavaturi - Sali pentru taiat carne, paine, spalat vase

10. Spalatorii mecanice de rufe

- Sali cu masini de spalat - Sali cu masini de calcat - Sali pentru dezinfectare - Camere pentru reparat rufe - Depozit de rufe murdare - Depozit de rufe curate - Uscatorii

11.Garaje - Garaje pentru parcare - Garaje pentru parcare si reparatii

22 40 50 60

22

22...24 22

16...18 8...10

18 10...15 18...20 5...10

18 20...22 15...18 15...18

20...22 20...22

15 18 15

16...18 22...24

5 15

b. Umiditate relativa Se alege tot in functie de temperatura interioara sau in functie de procesul tehnologic. c. Viteza de miscare a aerului Pastreaza aceleasi domenii ca si vara in functie de specificul instalatiei de ventilare. Se mentioneaza insa ca in cazul instalatiilor de ventilare mecanica la temperaturi ale aerului refulat sub 25ºC pot aparea senzatii de curent, fapt care a

30

impus ca solutie in multe cazuri micsorarea debitului ventilat in perioada de iarna care atrage dupa sine nu numai micsorarea vitezei de miscare a aerului dar si cresterea temperaturii de refulare.

d. Temperatura medie de radiatie – θmr In ceea ce priveste temperatura medie de radiatie a suprafetelor inconjuratoare, problema legata strict de izolare termica a elementelor delimitatoare si uneori de sistemul de incalzire adoptat, se poate afirma ca ea este dictata in general de gradul de confort pe care ni-l propunem sa-l asiguram cu instalatia de ventilare sau climatizare. In afara valorii globale a temperaturii medii de radiatie este necesar sa se sublinieze doua aspecte legate de aceasta problema, care pot provoca senzatii fiziologice neplacute. Este vorba de senzatia de inconfort pe care o pot provoca pardoselile reci, senzatii ce pot fi amplificata de natura materialului din care este facuta pardoseala, de durata de expunere (sedere) si mai ales de viteza curentilor de aer la nivelul pardoselii. Senzatii neplacute – asa zisa “radiatie rece” – poate fi provocata de asemeni de ferestre mai ales cand locurile de sedere sau de munca se gasesc in imediata apropiere a acestora. Aceste efecte neplacute pot fi combatute partial prin mijloace constructive – izolare mai buna a pardoselilor si ecranarea ferestrelor la exterior sau interior – dar si prin grija inginerului de instalatii, care trebuie sa aleaga sisteme de distributie a aerului prin care sa se evite formarea curentilor de aer la nivelul pardoselii sau prin amplasarea corpurilor de incalzire sau a dispozitivelor de introducere a aerului, sa se urmareasca ridicarea temperaturii superficiale pe suprafata interioara a elementelor de delimitare spre exterior mai reci. Iata de ce, pentru obiective mai pretentioase, temperatura medie de radiatie, devine parametru de calcul efectiv al bilantului termic. D. Aerul umed 1. Compozitia aerului atmosferic Aerul atmosferic pur este format din “aer umed”, adica dintr-un amestec de gaze (“aer uscat”) si vapori de apa. Compozitia aerului uscat este practic 79% si 23% ca participatii volumetrice, respectiv 77% si 23% ca participatii gravimetrice. Dupa continutul de vapori de apa din amestec, in functie de temperatura sa aerul umed poate fi nesaturat, saturat sau suprasaturat. In afara de aerul umed, aerul atmosferic poate sa contina impuritati sub forma unor substante in stare gazoasa sau sub forma de praf. Concentratia in aer a acestora substante care polueaza atmosfera este dependenta de conditiile locale, de prezenta surselor si agentilor care produc si raspandesc in atmosfera libera aceste impuritati. Printre substantele chimice in stare gazoasa se pot intalni:

31

- oxidul de carbon, care este un rezultat al arderilor incomplete si provine de la instalatiile de incalzire, diverse procese industriale, odata cu gazele esapate de autovehicule, etc.

- Bioxidul de sulf, intalnit mai frecvent in regiunile industriale in care se ard carbuni inferiori.

- Amoniacul, care provine din descompunerea substantelor organice.

- Acizi (sulfuric, azotic, clorhidric, etc.) sau alte substante chimice, a caror concentratie in aerul atmosferic depinde in special de distanta fata de sursele de viciere.

Praful, poate fi de natura minerala, vegetala sau animala, concentratia sa in aerul atmosferic fiind functie de marimea particulelor, de factorii climatici (vant, ploaie) si de distanta fata de sursa de producere. Dat fiind participatiile reduse ale substantelor chimice in stare gazoasa si ale prafului in aerul atmosferic pentru multe probleme din tehnica ventilarii si climatizarii se alege drept suport fizico-matematic al acestuia, constituientul sau principal si anume aerul umed. Acesta usureaza calculele privitoare la parametrii aerului umed si a diverselor procese de tratare ale acestuia. Dar nu in toate problemele aferente ventilarii si climatizarii este posibila aceasta simplificare. Dimpotriva, in problemele legate de puritatea aerului, de diluarea noxelor, in problemele de poluare a zonelor industriale si a centrelor urbane, in problemele urbane, in problemele legate de filtrarea aerului, etc., aerul atmosferic, ca mediu ambiant, este privit in toata complexitatea lui. 2. Parametrii de stare ai aerului umed In limitele de temperatura si presiune care se intalnesc in tehnica ventilarii si climatizarii, gazelor si vaporilor de apa din amestecul care formeaza aerul umed li se pot aplica legile gazelor perfecte. Pentru gaze acesta este posibil din cauza temperaturii lor foarte ridicate in raport cu cea de lichefiere pentru vaporii de apa deoarece presiunea partiala a acestora este foarte mica in raport cu presiunea totala a amestecului. Aerul umed este caracterizat prin urmatorii parametrii: presiunea, temperatura, umiditatea, densitatea, caldura specifica si entalpia. a. Presiunea aerului Conform legii lui Dalton presiunea totala (p) a amestecului rezulta din insumarea presiunilor partiale ale componentilor acestuia: in cazul aerului umed deci, presiunea totala rezulta din insumarea presiunii aerului uscat (pa) si a vaporilor de apa (pv)

p = pa + pv (IF – 1) In instalatiile de ventilare si climatizare presiunea aerului nu este uniforma, unele portiuni fiind in suprapresiune iar altele in subpresiune fata de

32

presiunea atmosferica. Totusi pentru calculele practice in majoritatea cazurilor, se considera in intreaga instalatie aceeasi presiune egala cu presiunea barometrica B, eroarea fiind in general sub 1%. Presiunea atmosferica descreste cu altitudinea asa cum se observa si din datele cuprinse in tabelul IF – 1. Tabelul IF – 1

Variatia presiunii barometrice (B) cu altitudinea (h) h (m)

0 200 400 600 800 1000 1500 2000 2500 3000

B (mm Hg)

760 74214 72463 70745 69060 67408 63417 59620 56010 52577

b. Temperatura aerului Deosebim urmatoarele temperaturi ale aerului:

- temperatura dupa termometrul uscat, t, este temperatura masurata cu un termometru de o anumita clasa de precizie, protejat impotriva radiatiilor.

- Temperatura dupa termometrul umed, t’, este temperatura indicata de un termometru obisnuit, de o anumita clasa de precizie, al carui bulb este infasurat intr-un tifon imbibat cu apa. Mai este definita ca fiind temperatura de saturatie adiabatica a aerului umed.

- Temperatura punctului de roua, tτ, este temperatura pentru care presiunea partiala a vaporilor de apa din aerul umed de o anumita temperatura si continut de umiditate, racit izobar, devine egala cu presiunea lor de saturatie sau reprezinta temperatura la care incepe condensarea vaporilor de apa la racirea izobara a aerului umed.

Pentru aer nesaturat t > t’ > tτ, iar pentru aer saturat t = t’ = tτ. c. Umiditatea aerului Marimile care exprima umiditatea aerului sunt: continutul de umiditate, umiditatea specifica, umiditatea absoluta si umiditatea relativa. Continutul de umiditate (x) este masa vaporilor de apa continuti intr-un kilogram de aer uscat:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

uscataer kg vaporikg

GGx

a

v (IF – 2)

sau

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

kgg

GG 1000d

a

v

33

Se observa ca masa vaporilor de apa este raportata la kilogramul de aer uscat si nu de aer umed. Aceasta usureaza calculele deoarece majoritatea transformarilor de stare ale aerului sunt insotite de variatii ale umiditatii, astfel incat masa amestecului se schimba, in timp ce masa aerului uscat ramane constanta. Aplicand ecuatia de stare rezulta:

a

v

v

a

a

a

v

v

a

vpp

RR

VpTR

TRVp

GGx ====

in care luand pentru constanta caracteristica a aerului uscat (in S.I. respectiv in M Kf S)

RRa = 287 [J/kg K] sau Ra = 29,27 [kg m/kg grd] si pentru vaporii de apa

RRv = 462 [J/kg K] sau Rv = 47,06 [kgf m/kg grd] rezulta

x = 0,622 a

vpp (IF – 3)

Tinand seama de presiunea barometrica B = pa+pv relatia (IF – 3) devine:

x = 0,622 v

vpB

p−

(IF – 4)

Umiditatea specifica a aerului umed. Continutul de umiditate x nu este o marime specifica a amestecului intrucat raportarea se face la kilogramul de aer uscat, nu la kilogramul de amestec. Umiditatea specifica (ξ) a aerului umed exprima continutul de vapori de apa dintr-un kilogram de amestec:

x1

x GG

Gξva

v+

=+

= (IF – 5)

Umiditatea absoluta (a) reprezinta greutatea vaporilor de apa continuti intr-un metru cub de aer umed, deci se masoara prin greutatea specifica (γ) a vaporilor de apa din amestec:

TR

pγav

vv == (IF – 6)

Umiditatea relativa (φ) este raportul dintre cantitatea de vapori de apa continuti intr-un metru cub de aer umed si cantitatea de vapori de apa corespunzatoare saturatiei, la aceeasi temperatura si presiune barometrica. Aceasta inseamna ca umiditatea relativa se exprima prin raportul dintre umiditatea absoluta si cea corespunzatoare saturatiei:

φS

vγγ

= (IF – 7)

Tinand seama de ecuatia de stare

34

φS

v

S

v

v

vpp

pTR

TRp

=⋅= (IF – 8)

exprimand procentual

φ (%) pp100

S

v= (IF – 9)

Cu aceasta, expresia (IF – 4) a continutului de umiditate devine:

S

Sp B

p 0.622xϕ

ϕ−

= (IF – 10)

d. Greutatea specifica a aerului umed (γ) Tinand seama ca

vavS γγ

VGGγ +=

+= (IF – 11)

se ajunge la expresia greutatii specifice a aerului umed sub forma

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

−=+=

v

v

a

v

v

v

a

vRp

RpB

T1

TRp

TRpγ

de unde:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−=

va

v

a R1

R1

Tp

TRBγ (IF – 12)

Folosind valorile si relatiile de mai sus:

γ = γa – 0,0129 v

v

Rp

(IF – 13)

de unde rezulta ca greutatea specifica a aerului umed γ este mai mica decat cea a aerului uscat, pentru aceeasi presiune barometrica si temperatura. Pentru temperatura de 0ºC si presiunea barometrica B = 760 mm Hg, greutatea specifica a aerului uscat este γa = 1,293 kgf/m3 sau γa = 1.293 · 9,81 = 12,68 N/m3 e. Caldura specifica a aerului umed, (cp) Caldura specifica variaza cu temperatura si presiunea. In tehnica ventilarii si climatizarii aerului procesele se considera izobare datorita faptului ca variatiile de presiune fata de presiunea atmosferica sunt neinsemnate. De obicei se lucreaza cu valori medii ale caldurii specifice, corespunzatoare domeniului de variatie al temperaturii la presiune constanta:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅

−= ∫ K kg

kJsau grd kg

kcal dtctt

1c2

1

t

tp

12pm (IF – 14)

Pentru domeniul temperaturilor obisnuite intre -20 si +80ºC se pot lua urmatoarele valori medii:

35

- pentru aer uscat: cpa = 0,24 kcal/kgf grd ≅ 1 kJ/kg K

- pentru vapori de apa

cpv = 0,44 [kcal/kg grd] ≅ 1,84 kJ/kg K Caldura specifica a aerului umed va fi:

x1

cxc1c pvp

p +

⋅+⋅= (IF – 15)

si deoarece x<<1 se lucreaza cu caldura specifica raportata la kg aer uscat, adica: cp = cpa + x·cpv = o.24 + 0.44 x (IF – 16)

f. Entalpia aerului umed (i, I) Pentru domeniile de temperatura intalnite in tehnica ventilarii si

climatizarii, entalpia specifica a aerului uscat este: ia = ·t = 0.24 t [kcal/kg] (IF – 17)

apciar cea a vaporilor de apa:

iv = t + rvpc 0 = 0.44 t + 597.30 [kcal/kg] (IF – 18)

in care r0 este caldura latenta de vaporizare a apei (la 0ºC). Entalpia specifica a aerului umed va fi:

( )

x1 xrtctc

x1iii 0ppva va

+

++=

++

= (IF – 19)

Ca si in cazul continutului de umiditate x, entalpia aerului umed se obisnuieste sa se raporteze la kilogramul de aer uscat astfel incat se foloseste relatia:

I = cpat + (cpvt + r0) x (IF – 20) sau cu valorile aratate anterior:

I = 0,24t + (0,44t + 597,30) x [kcal/kg] (IF – 21) Exprimata in sistemul international de unitati (SI), entalpia aerului umed este:

I = 4,1868 [0,24t + (0,44t + 597,30) x]= = t + (1,84t + 2501) x [kcal/kg] (IF – 22)

Se mentioneaza ca in lucrare se foloseste tot simbolul „i” si pentru entalpia nespecifica „I”. De altfel, deoarece x<<1 kg/kg (in mod curent x<0,015 kg/kg) se poate considera cu aproximatie acceptabila pentru calculele practice ca valoric I≈i. 3. Diagrame pentru aerul umed a. Generalitati In proiectarea instalatiilor de ventilare si climatizare, rezolvarea problemelor de schimbare a starii aerului in incaperi in procesele de tratare a acestuia (incalzire, racire, umidificare, uscare, etc) se face folosind diagramele 36

pentru aer umed. Acestea contribuie la scurtarea timpului de proiectare fara ca erorile care sunt unei metode grafice sa depaseasca pe cele admisibile in thenica. Dintre diagramele pentru aer umed care au o circulatie mai larga pot fi amintite: diagrama i-x (Mollier) sau i-d (Ramzin), diagrama i-t (Muller sau Holm) si diagrama x-t (Carrier). In presiuni barometrice (760 mmHg etc). Alegerea axelor de coordonare, rectangulare sau oblice, se face astfel incat sa apara cat mai clar anumite zone ale diagramei corespunzatoare domeniului lor de folosinta; pentru ventilare si climatizare este interesant intervalul de temperaturi intre -20ºC si +70ºC. b.Diagrama i-x (si i-d) Aceasta diagrama este cel mai des folosita in tara noastra. Este construita in coordonate oblice cu un inghi intre acestea de obicei de 135º. Pe axa absciselor sunt trecute valorile continutului de umiditate (x in diagrama Mollier si d in diagrama Ramzin), iar pe axa ordonatelor, entalpiile (i sau I). Pentru reducerea dimensiunilor diagramei axa reala a absciselor nu se figureaza, scara pentru continutul de umiditate x fiind trecuta pe o dreapta auxiliara ON’ (fig. IF – 1) perpendiculara pe axa ordonatelor. Fara sa se intre in amanunte legate de constructia diagramei, se reaminteste ca pentru trasarea izotermelor se foloseste relatia (IF – 20) sau (IF – 22), dupa sistemul de unitati de masura folosit, cu observatia ca la constructia diagramei Mollier a adoptat alte valori pentru cpv si r0, folosind efectiv relatia:

I = 0,24t + (0,46t + 595) x (IF – 23) in timp ce Ramzin a folosit relatia:

I = 0,24t + (0,46t + 595) 10-3d (IF – 24) Modul de trasare a izotermei iA ce trece printr-un punct A de stare a aerului poate fi urmarit in figura IF – 1. Aceasta izoterma intalneste ordonata in punctul E avand xE = 0 si deci, iE = 0,24 tA conform relatiilor (IF – 23, 24). Analiza coeficientului unghiular al izotermelor:

59546,0 +=∂∂ txx

arata ca acesta variaza cu temperatura aerului si deci izotermele nu sunt paralele intre ele, formand un fascicol divergent. Curba de saturatie φ = 1 se traseaza pe baza relatiei:

S

SS pB

p0,622x−

= (IF – 25)

iar celelalte curbe de umiditate relativa avand φ<1, pe baza relatiei (IF – 10) din care rezulta:

x)(0,622pxB

S +⋅

=ϕ (IF – 26)

37

Figura IF – 1. Constructia diagramei i-x

Curba de saturatie φ = 1 imparte diagrama in doua zone si anume zona de aer umed nesaturat cu φ<1 si zona de suprasaturatie (sub curba φ = 1) denumita si „zona de ceata” din cauza fenomenului de condensare a vaporilor de apa sub forma de picaturi, care apare in acest domeniu. In zona de ceata a diagramei i-x izotermele isi schimba directia fata de cea din zona de nesaturatie, ele frangandu-se la φ = 1 si urmand o directie foarte apropiata de i = const., asa cum se va arata mai departe. Diagramele i-x (fig. IF – 2 si 3) cuprind si nomograme pentru

determinarea presiunilor partialeale vaporilor de apa cpnstruite pe baza relatiei:

x0,622

xBpv += (IF – 27)

dedusa din (IF – 10) Folosind diagrama i-x se poate defini complet prin toti parametrii sai (i, x, t, φ) o anumita stare a aerului umed daca se cunosc doi din acesti parametrii si bineinteles presiunea barometrica B. Astfel spre exemplu starea aerului dintr-o incapere cu tA si φA date este complet definita daca dupa ce se figureaza in diagrama

38

punctul de stare A, se citesc direct ceilalti parametrii iA, xA (fig. IF – 4). Pe aceeasi diagrama se pot citi si presiunea partiala a vaporilor de apa pvA, temperatura punctului de roua , iar cu aproximatie temperatura aerului dupa

termometrul umed . Aτt

'At

Fig. IF – 4. Reprezentarea unei stari A in diagrama i-x Scara unghiulara a diagramei i-x, exprima directia proceselor de schimbare a starii aerului ca urmare a preluarii (sau cedarii) caldurii si umiditatii. Astfel trecerea aerului de la starea initiala A (fig. IF – 5), la starea finala B, este insotita de cresterea entalpiei de la i1 la i2 si de creserea continutului de umiditate de la x1 la x2, obtinandu-se, pentru un kilogram de aer uscat variatiile:

Δi = i2 – i1 Δx = x2 – x1

Caracterul procesului de schimbare a starii aerului in acest caz poate fi exprimat prin raportul de termoumiditate

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

kgkcal

ΔxΔiε

sau daca debitul de aer este L, kg/h, tinand seama ca: ΔQt = L (i2 - i1) = L Δi ΔGv = L (x2 – x1) = L Δx

rezulta

v

tΔGΔQ

ΔxΔiε == (IF – 28)

In diagrama i-x, raportul de umiditate ε este exprimat prin coeficientul unghiular al dreptei AB care reprezinta schimbarea starii aerului. Aceasta reiese

din figura IF–5 din care: ε ΔxΔi

ADDCBDtgαtgα 21 ==

+=+

Pe scara marginala a diagramei i-x sunt trasate, pentru o gama larga de valori ε, directiile proceselor de schimbare a starii aerului corespunzatoare acestora. Aceste directii (raze) ale proceselor sunt capetele extreme ale unor drepte ce converg in punctul 0 (cu i=0, x=o, t=o) al diagramei.

39

Fig. IF – 5. Reprezentarea. in diagrama i-x a schimba- rii de stare a aerului dupa directia ε.

Daca se cunoaste valoarea ε = ΔQt/ΔGv = Δi/Δx, procesul respectiv poate fi usor de trasat pe diagrama printr-o dreapta paralele cu directia ε din scara marginala, dreapta ce trece prin unul din punctele de stare ale aerului (starea initiala sau finala).

Zonele diagramei i-x (fig. IF – 6) sunt delimitate de dreptele x = const con .

iecar tru zone astfel stabilite se caract

0 si

sele din zona II au ε<0 deoarece Δi>0 si

ig. IF – 6. Zonele diagramei i-x

procesele din zona III au ε>0 deoarece Δi<0 si Δx<0

Valorile ε pentru unele procese particulare

si i = stF e din cele paerizeaza prin valori pozitive sau negative ale

raportului corespunzator proceselor ce se pot trasa din punctul A in campul fiecarei zone. Astfel: - procesele din zona I au ε>0 deoarece Δi>Δx>0; - proceΔx<0

F - - procesele din zona IV au ε<0 deoarece Δi<0 si Δx>0. se stabilesc dupa cum urmeaza

pentru procese dupa x = const

si sunt reprezentate in diagrama i-x din fig. IF – 7: -

∞±=== ΔiΔiε 0Δx

u mentiunea ca pentru cele avand Δi<0 (racire)

tru procese dupa i = const:

crezulta ε = - ∞, iar pentru Δi>0 incalzire, rezulta ε = +∞. - pen

40

00Δiε === ΔxΔx

pentru procese izoterme din zona de nesaturatie - (φ<1), tinand seama de

,44t + 597,3)x2] =

se obtine:

valoarea variatiei entalpiei: i = i2 = i1 = [0,24t + (o

= [0,24t + (0,44t + 597,3)x1]= = (0,44t + 597,3) Δx

597,30,44tΔx597,3)Δ9(0,44t

ΔxΔiε = +=

+=

iar in cazul particular t = 0, → ε = 597,3

- pentru izotermele din zona de ceata, starea aerului suprasaturat (punctul A din

diagrama din fig IF – 8) fiind instabila, se separa Δx kg/kg de aer uscat sub forma de picaturi de apa, astfel incat aerul saturat poate fi reprezentat prin punctul A’ de pe curba φ = 1, cele doua stari A si A’ avand aceeasi temperatura t1. In aceasta situatie variatia entalpiei va fi data de entalpia apei separate, adica: Δi = ca t1 Δx unde caldura specifica a apei ca = 1. Atunci

11 tΔxΔxt

ΔxΔiε ===

este directia izotermei de ceata. Deoarece se lucreaza cu temperaturi relativ mici, atunci izoterma de ceata este foarte apropiata de dreapta de entalpie constanta cu ε = 0, astfeparalela cu i = const.

l incat practic poate fi considerata

c. Diagrama i-t Aceasta diagrama este trasata in coordonate rectangulare, avand in ordonata entalpiile i iar in abscisa temperaturile t ale aerului umed. Este construita pentru o anumita presiune barometrica folosind aceleasi relatii de baza ca si pentru diagrama i-x. In fig, IF – 9 este reprezentata diagrama i-t. Dreptele de entalpie constanta sunt paralele cu axa absciselor, iar izotermele sunt paralele cu axa ordonatelor. Dreptele de continut de umiditate constant sunt inclinate fata de axa absciselor si pot fi considerata ca paralele pentru domeniul de folosire al diagramei. Dreapta φ = 0 se suprapune peste dreapta x = 0.

41

Diagrama mai cuprinde curbele φ = 1 si φ<1, dreptele γ = constant (sau ρ = constant) precum si dreptele t’=constant putin inclinate fata de dreptele i = constant. Ca si in cazul diagramei i-x, in diagrama i-t, izotermele, care sunt verticale in zona de nesaturatie, se frang in dreptul curbei de saturatie φ = 1 si devin aproape orizontale (dupa t’ = const.) in zona de suprasaturatie. Fig. IF – 10. Diagrama i-t fig. IF – 10. Diagrama x-t d. Diagrama x-t Aceasta diagrama (fig. IF – 10) a fost conceputa initial de Carrier (1911), ulterior a fost modificata si imbunatatita astfel incat in prezent exista o serie de variante ale acesteia. Diagrama lui Carrier, sau variantele sale mai recente, se traseaza in coordonate rectangulare avand in abscisa temperaturile t iar in ordonata continutul de umiditate x al aerului umed. In acest mod, pe baza relatiilor folosite si la intocmirea diagramelor i-x si i-t, se pot trasa dreptele x = const. si t = const., paralel cu axa absciselor respectiv cu axa ordonatelor. Dreptele de temperatura dupa termometrul umed t’ = const. sunt acceptate ca paralele cu dreptele de entalpie i= constant, care sunt mult mai inclinate fata de axele de coordonate. In campul diagramei, in zona de nesaturatie sunt trasate de asemenea curbele de umiditate relativa constanta, curba φ = 0 suprapunandu-se cu axa absciselor. E. Procese simple de tratare a aerului de ventilare 1. Tratarea aerului cu apa a. Pulverizarea apei Pulverizatoarele centrifugale folosite la pulverizarea apei in camerele de tratare a aerului sunt prevazute cu un canal tangential de intrare a apei in camera de rotire (numita si camera de turbionare) si cu un orificiu de iesire a apei. Dupa miscarea de rotatie din camera de rotire, la ajutajul de iesire, din cauza lipsei fortelor centripete, lichidul se disperseaza in mediul exterior mai intai sub forma unei pelicule tronconice. Grosimea acestei pelicule se micsoreaza pe masura departarii de ajutaj pentru ca apoi, fortele de tensiune superficiala fiind invinse, pelicula sa se destrame, formandu-se picaturi.

42

Teoria pulverizatorului centrifugal, pentru lichidul ideal, a fost elaborata de G. N. Abramovici si apoi dezvoltata pentru lichide reale (apa, combustibili lichizi, etc.) de alti cercetatori.

Neglijand fortele de frecare cu notatiile din fig. IG – 5, intrucat momentul cantitatii de miscare, fata de axa ajutajului, se pastreaza constant, se poate scrie egalitatea: wti ri = wt r = const. (IG – 1) Pe de alta parte, neglijand diferenta de inaltime geodezica, pentru lichidul real, ecuatia lui Bernoulli se scrie sub forma:

t22

1i pw2ρpw

2ρp =+=+ (IG – 2)

Fig. IG – 5. Schema principala a pulverizatorului centrifugal

sau: ( ) ( ) t2a

2r

2t

2ai

2r

2ti pwww

2ρpwww

2ρp

ii=+++=+++ (IG – 3)

in care wt, wr si wa sunt componentele: tangentiala, radiala respectiv axiala ale vitezei w a apei corespunzatoare razei curente r; indicele „i” afecteaza marimile corespunzatoare, pentru r = ri, adica cele de la intrarea apei in camera de rotire. Din relatia (IG – 1) se observa ca in dreptul orificiului de iesire, pentru r→0 rezulta wt → +∞, astfel ca tinand seama si de relatia (IG – 3) ar insemna ca p→ - ∞. Aceasta nu este insa posibil deoarece prin ajutajul de iesire se face legatura cu exteriorul, astfel ca presiunea minima nu poate fi sub cea atmosferica. Ca urmare, lichidul iese din ajutaj printr-o sectiune inelara. Fa = π ( - ) = φ π 2

0r2ar

20r

in care φ este coeficientul sectiunii active a ajutajului:

20

2a

rr1−=ϕ (IG – 4)

Caracteristicile principale ale pulverizatoarelor centrifugale sunt: debitul de apa g, unghiul initial al jetului α, distributia lichidului injet si finetea pulverizarii. De asemenea importanta pentru stabilirea distantelor de amplasare a pulverizatoarelor este si lungimea activa a jetului (distanta pana la care picaturile isi pastreaza sensibil directia (initiala). Pentru lichidul ideal au fost stabilite pe baze teoretice, tinand seama de relatia care exprima caracteristica geometrica a pulverizatorului:

( )32

i

oii

21RrrA

ϕ

ϕ−== (IG – 5)

43

urmatoarele relatii de calcul: - debitul specific al unui pulverizator

t201 p

ρ2r πμg = (IG – 6)

in care expresia coeficientului de debit este

ϕϕ −+

=

1A1

1μ 2ex

2

1 (IG – 7)

- unghiul initial al jetului:

( )( ) ϕϕ

ϕ−+

−==

1181

ww

2αtg

a

t1

echivalenta:

(IG – 9)

Relatiile (IG – 5) si (IG – 7) permit exprimarea dependentelor φ, μ, α,= f(Ai) ca in fig. IG – 6. In cazul fluidelor reale in camera de rotire apar forte de frecare care se opun miscarii si ca urmare momentul cantitatii de miscare descreste de la intrare catre orificiul de iesire, raza turbionului de aer se reduce, coeficientul de debit creste, iar unghiul jetului scade. Tinand seama de aceste aspecte, pentru fluidul real se ajunge la concluzia ca in conditiile calculelor practice deci cu eroare acceptabila, relatia (IG – 7) a coeficientului de debit si relatia

(IG – 8) a unghiului jetului raman valabile, insa caracteristica geometrica Ai este inlocuita cu o caracteristica

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+

≅

i2i

2i

ie

ARr

2λ1

AA (IG – 10)

in care λ este coeficientul de rezistenta. In acelasi timp, relatiile dintre φr, μr, αr si Ae se pastreaza la fel ca la fluidul ideal (vezi, fig.IG – 6) daca in loc de Ai se ia Ae. Repartitia spatiala a lichidului in jet variaza cu distante de orificiul de iesire al pulverizatorului si este dependenta de diametrul acestui orificiu d0 si de presiunea apei pa. In fig. IG – 7, este aratata, pentru pulverizatoarele metalice repartitia apei in jet, exprimata prin densitatea fluxului de lichid gm [g/cm2h] in ordonata, in abscisa trecandu-se distanta ri de la axul jetului. Din studiul densitatii fluxului de lichid pulverizat rezulta urmatoarele aspecte principale:

44

- pentru diametre d0 relativ mari (d0 >2mm) curbele de densitati au doua maxime, evidentiind existenta turbionului de la tronconic din spatiul central al jetului, iar pe masura ce grosimea scade, curbele se aplatizeaza: Fig. IG – 7 (a si b) a – variatia gm = f(l) pentru d0 = 4 mm si pa = 3 at

45

b – idem, pentru d0 = 1,5 mm si pa = 2at

2 fig. - pentru diametre relativ mici (d ≤ 2mm), la presiuni reduse, curbele au un

singur maximum (axial), nu se evidentiaza conul central de aer, pulverizatorul lucrand ca injectoarele fara camera de rotire; pe masura ce presiunea creste, incep sa apara cele doua maxime, iar curbele se aplatizeaza - in toate situatiile curbele de densitate se aplatizeaza pe masura ce sectiunile transversale cercetate sunt mai departate de pulverizator. Din cercetarile facute, distributia lichidului in jetul pulverizatoarelor centrifugale in conditii normale de functionare (curbe cu densitati avand doua maxime) nu urmeaza legea normala de repartitie (Gauss) ci asculta de legea de repartitie exprimata prin:

xrae1y −−= (IG – 11)

in care: y este densitatea medie relativa insumata a fluxului de lihid

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ∑ ∑

∞ix

0 0ii g/gy

46

m

irrr = - coordonata adimensionala exprimata prin raportul dintre raza

curenta si raza medie pentru care 50% din debit trece in interior si 50% in exterior;

a = 0,693 – exponent constant; x = constanta de distributie. Finetea de pulverizare se studiaza ca si distribuita lichidului in jet prin metode statistice, avandu-se la baza studierea la microscop a unui numar limitat de picaturi captate pe un strat uleios aplicat pe un suport de sticla. Prin numaratoarea picaturilor si impartirea lor pe clase de dimensiuni se studiaza legea de reapartitie a picaturilor dupa dimensiuni, care este similara celei aratate anterior referitoare la distributia lichidului in jet. Intrucat jetul este format din picaturi avand dimensiuni diferite, se obisnuieste sa se ia in consideratie „diametrul mediu” si picaturilor dupa numar, suprafata, volum, greutate, etc. Dintre acestea potrivit pentru studiul functiei de pulverizare la camerele de tratare a aerului este diametrul mediu Sauter:

∑∑= 2

ii

3ii

m.S dndnd (IG – 12)

in care di este diametrul mediu al unei clase de picaturi, iar ni – numarul de picaturi din aceasta clasa. Diametrul mediu Sauter se poate deci defini ca diametrul unei picaturi ipotetice al carui raport dintre volum si suprafata este egal cu raportul dintre volumul si suprafata (insumate) tuturor piaturilor din jetul real. O rezolvare completa pe cale analitica, a problemelor proceselor de pulverizare a lichidelor (apei) prezinta dificultati importante din cauza complexitatii fenomenelor si mai ales, in cazul finetii de pulverizare, datorita interactiunii intre picaturi si a influentei caracteristicilor mediului in care se face pulverizarea. Din aceste cauze cercetarea pulverizarii se face de obicei pe cale experimentala, pentru generalizarea datelor obtinute apelandu-se la teoria similitudinii. Astfel spre exemplu, pentru coeficientul de debit in cazul fluidului real, admitand dependentele functionale:

( ρσ,η,,w,R,r,rfμiμ

ii0ir = ) (IG – 13)

se ajunge la ecuatia criteriala de forma:

s

2i

pii

n

i

0m

i

i

i

r

ηρ R σ

ηρ R w

Rr

Rrk

μμ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (IG – 14)

in care se evidentiaza criteriile:

ieii R

ηρ R w= (criteriul Reynolds raportat la raza Ri a canalului de

intare)

47

=2i

ηρ R σ criteriul vascozitatii (raportul dintre fortele tensiunii

superficiale si fortele vascoase) iar in simplexurile ri/Ri si r0/Ri sunt cuprinse principalele dimensiuni ale pulverizatorului, care intra de altfel in expresia caracteristicei geometrice Ai a acestuia.

Pentru unghiul jetului αr, in cazul fluidului real, admitand aceleasi dependente functionale se obtine o ecuatie criteriala care cuprinde aceleasi criterii si simplexuri.

Diametrul mediu (sau maxim) al picaturilor formate se poate obtine de asemenea apelandu-se la legile simplitudinii. In acest caz, in afara marimilor fizice ale lichidului, introducandu-se si marimile fizice ale aerului care influenteaza modul de destramare a peliculei de picaturi, se ajunge la o ecuatie criteriala in care intervine si criteriul Weber:

σ

d wρW 02

e =

care exprima raportul dintre fortele de inertie ale lichidului si fortele de tensiune superficiala. Criteriile ce intervin in procesele de pulverizare aratate anterior, sunt valabile pentru orice lichide avand diferite vascozitati si tensiuni superficiale. In cazurile intalnite in instalatiile de climatizare unde se pulverizeaza apa (fara variatii mari e temperatura) in aer la presiunea atmosferica criteriul vascozitatii este constant deoarece σ si η nu variaza. In acest caz, ecuatia criteriala (IG – 14) va lua forma:

p'e

n'

i

0m'

i

i

i

ri

RRr

Rr k'

μμ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (IG – 15)

Notatiile folosite in ecuatiile criteriale au urmatoarele semnificatii: wi – viteza apei in canalul de intrare, in m/s;

wech = 20r π

g - viteza echivalenta a apei in ajutajul de iesire in ipoteza ca

debitul de apa s-ar scurge prin intreaga sectiune a acestuia, in m/s. ρ – densitatea apei, in kg/m3; η – vascozitatea dinamica a apei, in N·s/m2; σ – coeficient de tensiune superficiala, in N/m. b. Schimbul de caldura si de substanta intrea aer si apa Dupa cum se stie transferul de substanta este un fenomen analog cu transferul de caldura, aceasta analogie avand anumite limite.

48

Dupa cum pentru transferul de caldura prin conductie se aplice ecuatia lui

Fourrier: tgrad λntλ

FQq −=

∂∂

−=∂∂

= [kcal/m2 h] (IG – 16)

(IG – 16) in mod analog pentru schimbul de substanta se aplica legea lui Fick:

h],[kg/m c grad DncD

pcg 2

cc −=∂∂

−=∂∂

= (IG – 17)

care exprima procesul de difuzie moleculara. Intrucat exista identitate intre concentratia (c) si greutatea specifica (γ), legea lui Fick se poate scrie si sub forma:

p grad DnpDg pp −=∂∂

−= (IG – 18)

cu:

T R

DD cp = (IG – 19)

intrucat:

np

T R1

nγ

nc

∂∂

=∂∂

=∂∂

Coeficientul de difuzie moleculara pentru aerl (Dp·a) si respectiv pentru valori de apa (Dp·v) pot fi exprimati deci prin relatiile:

T R

DDa

cap, = ;

T RDDv

cvp, = (IG – 20)

pentru procesele de difuzie in amestecurile de vapori de apa si aer, coeficientul de difuzie Dp poate fi calculat cu formula:

0,8

p 273T

p0,0627D ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= (IG – 21)

in care p este presiunea totala a aerului umed si T temperatura absoluta a acestuia. Legea lui Fick se poate aplica in cazul difuziei vaporilor de apa in aer sau a aerului in abur, insa pentru cazul schimbului aer-apa difuzia se produce multilateral in sensul ca vaporii de apa difuzeaza in aer in timp ce aerul nu difuzeaza in apa, suprafata acesteia constituind un perete impermeabil pentru aer. Dupa cum se stie aceasta duce la necesitatea aplicarii corectiei lui Stephan, astfel incat expresia fluxului de vapori difuzati este data de relatia:

dndp

ppp

T RDg

vv

c−

−= (IG – 22)

Separand variabilele:

49

dn p

T RDg

ppdp v

cv−=

−

si integrand intre limitele n=0 si n=s, pentru care respectiv p = ps si p = pv se obtine:

s p

T RDg

ppppln v

cs

v −=−−

de unde:

s

v

v

cppppln

TRp

sDg

−−

−= (IG – 29)

Comparand relatiile (IG – 28) se observa analogia dintre conductia caldurii si difuzia moleculara in cazul contactului dintre aer si o suprafata de apa (perete impermeabil pentru aer) nu este perfecta. Analogia celor 2 fenomene se obtine cad p/(p-pv) = 1 adica atunci cand pv→0. In cazul regimurilor de lucru din camerele de tratare a aerului cu apa, presiune partiala a vaporilor pv fiind foarte mica in raport cu presiunea totala p amestecului, se poate neglija corectia lui Stephan si deci se accepta folosirea relatiei (IG – 23) similara cu relatia (IG – 22). Legea lui Fick (relatia IG – 23) este valabila pentru procese izotermice. In ceea ce priveste termodifuzia care apare in cazul existentei unor diferente de temperatura intre moleculele apropiate, aceasta poate fi neglijata in cazul proceselor din instalatiile de climatizare. In aceste aparate, circulatia aerului fiind fortata, schimbul convectiv este determinat pentru transferul de caldura si vapori de apa. Pentru schimbul convectiv de caldura se foloseste relatia lui Newton:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−=

h,mkcal )t(t α

dFdQq 2s (IG – 30)

iar pentru schimbul de masa relatia analoaga (Dalton):

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−==

h,mkg )p(pβ

dFdGg 2vap (IG – 31)

Pentru simplificare se considera coeficientul de schimb superficial de caldura α precum si coeficientul de schimb de substanta ρp ca sunt constante pe suprafata de schimb. In afara relatiei (IG – 31), pentru fluxul unitar de vapori de apa se mai folosesc si expresiile:

c)(cβg sc −= ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡h,m

kg2 (IG – 32)

sau notand obisnuit βx = σ

50

g = σ (xs – x) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡h,m

kg2 (IG – 33)

Relatiile dintre coeficientii e schimb de substanta se decuc usor din egalitatea fluxurilor unitare expreimatesub cele trei forme. Astfel din egalitatea: q = βp (ps – pv) = βc (cs – c)

tinand seama ca: cs = γs = TR

p

v

s si c = γv = TR

R

v

v

se obtine:

TR

ββv

cp = (IG – 34)

De asemenea din egalitatea: q = βp (ps – pv) = σ (xs – x) intrucat

v

v

v

a

s

s

v

as pB

pRR xsi

pBp

RRx

−=

−=

se obtine

)p)(Bp(B

BRRσβ

vsv

ap −−= (IG – 35)

In sfarsit din: Q = σ (x – xs) = βc (cs – c) Se obtine

( )( )TR B

pBpBβσa

vsc

−−= (IG – 36, a)

sau deoarece

1B

pB si γTRpB v

a

s ≈−

=−

avem σ β≅ c γ (IG – 36, b) Tinand seama de complexitatea fenomenelor, pentru schimbul de substanta se foloseste teoria similitudinii, stabilindu-se dependente criteriale care sunt similare celor pentru transferul de caldura. Se tine seama ca marimile ce intervin in schimbul de substanta (pv, Dp, Dc, βp) le corespund marimi analoge pentru schimbul de caldura (respectiv t, λ, a, α). Astfel pentru convectie termica fortata, in care se neglijeaza forta ascensionala, situatie intalnita in agregate de climatizare, functia de criterii este: F(Nu, Re, Pr) = 0 in timp ce pentru transferul de substanta in curent fortat se gaseste o functie similara f’(NuD, Re, PrD) = 0

51

in care:

Nu = ef λl α (Nusselt) NuD =

Dl β (Nusselt – difuzie)

ν

lwRe⋅

= (Reynolds)

Pr= aν (Prandtl)

DνSPr eD == (Schmidt)

Pentru schimbul de substanta s-a introdus si criteriul Lewis

Da

PrSL c

e ==

De asemenea pentru procesele de evaporare, Guhman a folosit criteriul:

T

T'TGu −=

in care T si T’ sunt temperaturile absolute ale aerului dupa termometrul uscat, respectiv dupa cel umed. Considerand ecuatiile criteriale pentru miscare fortata sub formele: Nu = C n

rme P R

NuD = C’ n'r

m'e P R

si tinand seama ca pentru satisfacerea conditiilor de analogie C = C’, m = m’ si n = n’ (de ex. pentru Re ≥ 22.000, m ≅m’ = 0,90 si c = 0,027 respectiv C’ = 0.025, deci C C’), se poate scrie: ≅

n

DD PrPr

NuNu

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

sau n

n

f

Dνaν

Dβlλαl

e

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=

de unde 1n

fn

f

aD

aλ

aD

Dλ

βα ee

−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⋅=

Tinand seama ca λfe = a si L γc'p e =

Da se ajunge la expresia

( )n1ep L γc

βα −=

care pentru Le = 1, devine:

52

γcβα

p=

La o concluzie asemanatoare se ajunge pe cale analitica daca se considera cazul obisnuit al miscarii turbulente a aerului in contact cu suprafata apei. In stratul limita de grosime „s” transferul de caldura producandu-se prin schimbul de caldura se poate scrie:

( ) ( aafl tt αtt )

aλq −=−= (IG – 37)

de unde α = λfl/s iar pentru schimbul de vapori de apa (considerand suprafata apei ca perete impermeabil pentru aer si deci aplicand corectia Stephan):

)p(p βppppln

TRp

sDg vsp

s

v

v

c −=−−

= (IG – 38)

sau deoarece

)p)(pp(p

pRRσβ

vsv

ap −−=

se ajunge la forma

( )( )vsv

a

s

v

v

cpppp

p RR σ

ppppln

TRp

sDg

−−=

−−

=

Dezvoltand in serie logaritmul natural si luand in considerare numai primul termen, adica

appvpsp

sppvpsp

1ln appvpp

ln−

−≅

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−

−+=

−

−

dupa transformari se ajunge la:

av

acγσ

ppT R σ

sD

=−

=

sau ac γ

sDσ = (IG – 39)

Impartind (IG – 37) la (IG – 39)

acac γD

λγD

ssλ

σα

=⋅=

sau

( )cc

p

ac

p

Da0,44x0,24

Dxc a

γγ

Dc a

βα

+===

deci

( eL 0,44x0,24σα

+= ) (IG – 40)

53

Aceasta expresie este importanta deoarece permite calcularea lui σ avand valoarea lui α cunoscuta. Pentru Le = 1 rezulta:

0,44x0,24cσα

p +==

sau

1c σα

p=

si in aceasta stituatie criteriile pentru schimbul de caldura Nu si Pr pot fi interpretate drept criterii pentru schimbul de substanta (la acelasi Re). Din cercetarile facute pe camerele de tratare a aerului cu apa din instalatiile de climatizare au rezultat urmatoarele concluzii in ceea ce priveste valoarea raportului α/σ cp, respectiv abaterile de la Le = 1:

- pentru peocese de umidificare adiabatica α/σ = cp (in conditiile tapa = t’aer); - pentru procese de racire si uscare a aerului α/σ≥ cp si anume α/σ ≅ 0,24... 0,30; - pentru procese de umidificare cu scaderea entalpiei α/σ ≥ cp si anume α/σ = 0,3...0,55; - pentru procese de umidificare si racire cu cresterea entalpiei α/σ ≤ cp, cu valori α/σ = 0,24...0,48; - pentru procese izotermice si procese de umidificare si incalzire a aerului α/σ ≤ cp si anume α/σ = 0,24...0,05. Cauzele abaterii de la Le = 1 sunt legate de faptul ca in anumite conditii functionale, pentru unele procese de schimbare a starii aerului in contact cu apa campurile de viteze, de temperaturi si de concentratii (presiuni partiale) inceteaza de a fi reciproc asemenea, iar conditiile la limita pentru schimbul de caldura respectiv de substanta nu mai sunt identice. Acceptand ipoteza lui Lewis referitoare la constanta raportului α/σ, Merkel situand procesele din turnurile de racire (ta>t’) a ajuns la o forma simpla a ecuatiei schimbului de caldura intre aer si apa. Astfel scriind ecuatia fluxului de caldura elementar schimbului intre aer si apa ca suma a fluxurilor partiale de caldura perceptibila pQ∂ si de caldura eQ∂ dQ = + pQ∂ eQ∂si neglijand caldura perceptibila a vaporilor de apa, se ajunge la forma: dQ = [α (ta - t) + σr (xs – x)] dS (IG – 41) sau

dQ = ( ) ( ) dSxxrttσα σ sa ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ −+−

54

acceptandu-se ca stratul de aer saturat de la suprafata apei are temperatura acesteia (ts – ta). Considerand dupa cum s-a mai spus ca valabila ipoteza lui Lewis

0,44x0,24xcccσα

pvpap +=+==

si tinand seama de caldura latenta de vaporizare r = 597,3 +cpv ta - ca ta care cu ca = 1 si cpv = 0,44 devine

r=597,3 – 0,56 ta se ajunge la forma: dQ = σ [(cpa+cpv x) (ta – t) + (xs – x) (597,3 + cpv ta – ta)]dS Grupand favorabil termenii:

( )[ ] ( )[ ] ( ){ }dStxx0,56x0,44597,30,24tx0,44t597,30,24tσdQ assaa −−++−++= si neglijand entalpia apei, Merkel a ajuns la ecuatia: dQ = σ (is – i) dS care pentru camerele de tratare a aerului din instalatiile de climatizare este valabila numai pentru unele procese de schimbare a starii aerului (Le = 1).

c. Procese posibile de schimbare a starii aerului tratat cu apa Analiza proceselor posibile de schimbare a starii aerului in contact cu apa se poate face pornind de la ecuatia schimbului elementar de caldura intre aer si apa sau pe cale grafica, folosind diagrama i-x. In primul caz se analizeaza termenii ecuatiei caldurii schimbate intre aer si apa: dQ = dS )x(xr σdS )t(t αQQ aalp −+−=∂+∂ Din termenul ce exprima schimbul elementar de caldura perceptibila (sensibila):

dS )t(t αQ ap −=∂ se pot delimita urmatoarele procese: - racirea aerului, daca t>ta atunci pQ∂ >0 (aerul cedand apei caldura perceptibila); - proces izotermic, daca t = ta atunci pQ∂ =0 (aerul isi pastreaza aceeasi temperatura neexistand schimb de caldura perceptibila);

55

- incalzirea aerului, daca t < ta atunci pQ∂ <0 (apa cedand caldura perceptibila aerului). In mod similar, din termenul ce exprima schimbul elementar de caldura latenta , apar datorita acestuia urmatoarele procese posibile: dS )xr(x σQ al −=∂ - uscarea aerului, daca x>xa, ceea ce inseamna ca ta<tτ, atunci lQ∂ >0 (aerul cedand apei caldura latenta odata cu vaporii ce se condenseaza); - proces dupa x = const, daca x = xa, adica ta = tτ, atunci lQ∂ =0 (neexistand nici condensare nici evaporare schimbul de caldura latenta este nul); - umidificarea aerului, daca x<xa, adica ta>tτ, atunci lQ∂ <0 (aerul primind de la apa caldura latenta odata cu apa evaporata). Daca se continua cu analiza simultana a ambilor termeni vor rezulta si celelalte procese posibile de schimbare a starii aerului in contact cu apa (de ex. racirea cu uscarea aerului, racirea cu umidificarea aerului, etc.). Trecand la analiza proceselor posibile cu folosirea diagramei i–x si a scarii sale marginale, se tine seama ca in cazul amestecului dintre aer si apa, procesele rezultate sunt caracterizate prin raportul de termoumiditate ε. Astfel din ecuatiile: dQ = L di = σ (i – is) dS dQ = L dx = σ (x – xs) dS rezulta:

εxxii

dxdi

s

s =−−

=

Dupa cum se vede si in acest caz ε reprezinta coficientul unghiular al dreptei dupa care se desfasoara procesul de schimbare a starii aerului reprezentat in diagrama i-x. Reprezentarea printr-o dreapta a acestor procese este in general admisa in tehnica ventilarii si climatizarii desi aceasta, in mod corect, are valabilitatea numai in cazul in care temperatura apei ar ramane constanta. Aceasta se intampla de fapt numai in cazul umidificarii adiabatice unde temperatura apei (recirculata) este constant egala cu temperatura aerului dupa termometrul umed. In cazul celorlalte procese (politropice) temperatura apei variaza in anumite limite, deci procesul trasat corect ar apare cu starile intermediare pe o curba. Posibilitatile de tratare a aerului cu apa sunt dependente de temperatura (ts) in stratul limita de la suprafata apei, adica de temperatura apei (ta) asa cum s-a admis anterior pentru cazul picaturilor de apa. Reprezentand in diagrama i-x starea aerului saturat din stratul limita la intersectia curbei de saturatie cu izoterma ta, se observa (fig. IG – 8) ca, daca punctul 0 reprezinta starea initiala a aerului, posibilitatile de tratare cu apa a acestuia sunt limitate.

56

Astfel procesele de schimbare a starii aerului de schimbare a starii aerului in contact cu apa nu se pot desfasura decat intre tangentele OA si OB la curba de saturatie. In cazul cand temperatura corespunzatoare a punctului A este sub 0ºC, limitele proceselor posibile se restrang intre OD si OB , temperatura starii B fiind de minimum 0ºC (apa in stare lichida). Rezulta deci ca apa de tratare poate avea temperaturi corespunzatoare punctelor de la D la B de pe curba de saturatie.

Fig. IG – 8. Posibilitatile de tratare a aerului cu apa Analiza proceselor posibile trebuie facuta pentru sectoarele a, b, c si d determinate din dreptele t = constant, i = constant si x = constant ale caror directii sunt respectiv ε = iv, ε = 0, ε = ± ∞. Temperaturile apei vor fi luate in raport cu temperatura t a aerului dupa termometrul uscat, temperatura t’ dupa termometrul umed si temperatura punctului de roua tτ. Se admite de asemenea, asa cum s-a aratat anterior, ca in timpul contactului dintre aer si apa temperatura apei ramane constanta. Rezultatele ce se obtin di aceasta analiza a proceselor posibile de schimbare a starii aerului in cintact cu apa sunt sintetizate in tabelul IG – 1, in care se arata si caracterul fiecarui proces. Se observa ca in general procesele de schimbare a starii aerului sunt politropice si se obtin prin pulverizarea apei in circuit deschis, cu exceptia procesului de umidificare adiabatica, in care ta = t’ si care se obtine prin recircularea apei. Tabelul IG – 1 Procese posibile de schimbare a starii aerului in contact cu apa Proces in zona, sau

dupa

ta ºC

Directia procesului

ε

dx

di

dt

Caracterul procesului (pentru aer)

a ta>t ε>iv >0 >0 >0 Umidificare cu incalzire t = const ta = t ε=iv >0 >0 =0 Umidificare izotermica B t>ta>t’ 0<ε<iv >0 >0 <0 Umidificare cu racire si

cresterea entalpiei t’ =const ta= t’ ε= ta

(ε≈0) >0 =0 <0 Umidificare adiabatica

c t’>ta>t -∞<ε<0 >0 <0 <0 Umidificare cu racirea si scaderea entalpiei

57

x = const ta = tτ ε = -∞ =0 <0 <0 Racire la x = const d tτ ε>0 <0 <0 <0 Racire cu uscare Dintre procesele descrise mai sus retine ca frecvent utilitate in practica si realizate in camerele de pulverizare, procesele adiabatice ( realizate prin pulverizarea apei recirculate din bazinul camerei de pulverizare) si procesele politropice de racire cu uscare (realizate prin pulverizare de apa in circuit deschis). d. Umidificarea adiabatica In procesul de umidificare adiabatica, obtinut cand ta = t’ aerul cedeaza apei caldura perceptibila pentru vaporarea apei si o primeste inapoi de la apa, odata cu vaporii formati, sub forma de caldura latenta, astfel ca: dQ = 0QQ lp =∂+∂adica

dQ = σ[(i – is) - cata(x – xs)]dS = 0 sau (i – is) – ta(x – xs) = 0 de unde rezulta directia procesului

t'txxiiε a

s

s ==−−

=

Din cauza temperaturilor relativ mici ale apei de tratare, directia ε = ta face un unghi foarte mic cu directia ε = 0, ceea ce permite ca in tehnica ventilarii si climatizarii procesele de umidificare adiabatica sa se considere ca decurg paralele cu dreptele i = const.

Astfel in diagrama i-x (fig. IG – 9), reprezentarea corecta a procesului de umidificare adiabatica este dupa 1-2, cu ε = ta = t’, iar reprezentarea conventionala dupa 1-2’, cu ε = 0.

Umidificarea adiabatica a aerului este curent folosita in instalatiile de climatizare indeosebi perioada de iarna si de tranzitie precum si in unele cazuri, chiar in perioada de vara.

Fig. IG – 9. Umidificarea adiabatica Avantajul principal al acestui mod de tratare este acela ca se obtine

pulverizand apa recirculata, preluata din bazinul camerei de tratare. Recirculand apa, nu este necesara o incalzire sau o racire prealabila a acesteia pentru a ajunge sa aiba temperatura ta = t’. Indiferent de temperatura pe care o are apa recirculata la pornirea instalatiei, t'sau t t't

21 aiai >< (fig. IG – 10), ce va tinde intr-un timp relativ scurt de functionare, catre o temperatura de

58

echilibru ta = t’, denumita limita de racire (incalzire) a apei, dupa care sa ramana constanta. Acest fenomen sta de altfel la baza functionarii termometrului umed al oricarui psihrometru. Incalzirea de la , respectiv racire de la , pana la temperatura t’ a apei recirculate se explica prin modul in care se produce schimbul de caldura si de substanta intre aer si apa:

1ait2ait

Fig. IG – 10. Limita de racire (incalzire) a apei recirculate

- cand >t, caldura pentru evaporare o da apa care deci se raceste;

ait

- cand t> >t’ aerul cedeaza apei doar o parte din caldura necesara evaporarii astfel incat apa se raceste;

ait

- cand <t’, aerul cedeaza apei mai multa caldura decat cea necesara evaporarii astfel incat apa se incalzeste.

ait

Procesul de umidificare adiabatica 1-2, (vezi, fig. IG – 9) cand starea finala a aerului ajunge la

temperatura egala cu cea a apei este un proces ideal. In procesele reale, starea finala a aerului ajunge doar intr-un punct 2’’, cu φ<1. Punctul 2’’ va fi cu atat mai aproape de punctul 2 cu cat suprafata de schimb dintre aer si apa va fi mai mare (in conditiile aceluiasi timp de contact) si a acelorasi dimensiuni ale picaturilor de apa, deci cu cat, coeficientul de stropire μ˝ va fi mai mare. Prin coeficient de stropire se intelege raportul dintre debitul de apa pulverizata Ga si debitul de aer tratat L:

L

Gμ a= (IG – 43)

e. Procese politropice

In cazul proceselor politropice de schimbare a starii aerului in contact cu apa, pe langa variatia starii aerului se produce si variatia temperaturii apei. Se poate scrie deci urmatoarele ecuatii de bilant de caldura: Q = L (ii – if) = Gaca (taf – tai) [kcal/h] In care: ii si if - sunt entalpiile, initiala si finala a apei. Notand Δi = ii – if si ta = taf – tai, iar caldura specifica a apei fiind ca = 1, relatia de mai sus se poate scrie sub forma:

μL

GΔtΔi a

a== (IG – 44)

Din aceasta expresie rezulta ca variatia entalpiei aerului Δi este proportionala cu coeficientul de stropire μ si ca urmare starea finala a unui 59

proces politropic real este mai apropiata de starea finala a procesului ideal cu cat μ este mai mare. Se mentioneaza ca marimea lui μ este limitata din punct de vedere economic (al consumului de apa), iar la procesele de uscare a aerului si din punctul de vedere al obtinerii uscarii maxime, asa cum se va vedea in continuare. Considerand un proces politropic, spre exemplu de racire si uscare a aerului (fig. IG – 11) realizat in conditiile pulverizarii in echicurent, aerul de stare initiala A intra in contact cu apa cu temperatura initiala tai (punctul B). Pe masura ce starea aerului se deplaseaza de la A spre B, temperatura

apei creste de la tai la taf (de la D la C). Starea B’ este starea finala a aerului si taf temperatura finala a apei, pentru procesul real corespunzator unui anumit coeficient de stropire μ. Marind coeficientul de stropire, starea finala a aerului poate ajunge in D iar cea a apei in E, cele duoa puncte gasindu-se pe linia de entalpie constanta it. Aceasta este situatia in care se obtine maximum de uscare a aerului intrucat apa a ajuns la limita de racire, adica

Fig. IG – 11. Analiza unui temperatura ei tat a egalat temperatura dupa proces politropic termometrul umed a aerului de stare finala '

Dt D, adica: tat = '

Dt Daca se continua sa se mareasca μ, procesul va urma dupa directia it = const., (umidificare adiabatica), de la D la E, ajungand in final, prin marirea in continuare a debitului de apa ca starea finala a aerului E sa aiba temperatura finala a apei adica se va ajunge la un proces ideal (A – D – E). Se observa deci, si pentru uscarea aerului cu apa, este defavorabila cresterea peste o anumita limita a coeficientului de stropire, intrucat dupa uscare poate urma un proces nedorit de umidificare a aerului. Pentru procesele politropice ideala se poate trasa grafic, pe diagrama i-x din aproape in aproape curba de variatie a starii aerului la trecerea lui printr-o camera de pulverizare a apei, asa cum este aratat in figura IG – 12, a, b, pentru

pulverizarea in echicurent, respectiv in contracurent.

60

a. b. Fig. IG – 12. Constructia grafica a procesului politropic ideal a – pulverizare in echicurent; b – pulverizare in contracurent

In realitate, din cercetarile experimentale facute rezulta ca, deoarece in aparatele de climatizare nu se poate obtine o pulverizare a apei strict echicurent sau contracurent, desfasurarea procesului de schimbare a starii aerului este mai apropiata de cea corespuzatoare echicurentului. Ca urmare, practic, procesele politropice se reprezinta printr-o dreapta care uneste starea initiala a aerului cu punctul de pe curba de saturatie corespunzator tenperaturii finale a aepi (dreapta AR in fig. IG – 12, a si respectiv dreapta AB in fig. IG – 12b). 5. Tratarea aerului cu abur saturat uscat In practica curenta este adesea necesara umidificarea aerului fie in incaperea de lucru, fie in centrala de ventilare sau chiar in canalele de aer. Pentru acest lucru se injecteaza abur din (abur saturat direct) direct in locul unde este necesar. Unele precautii sunt necesare pentru ca aburul sa fie lipsit de miros si sa fie saturat uscat pentru a nu produce picaturi care cazand pe partile metalice sa duca la oxidarea acestora. Intrucat aburul produs in cazanele centralelor termice este impur si are un miros specific, el nu poate fi amestecat cu aerul ce urmeaza a fi introdus in incaperi. Este deci necesar ca aburul sa fie furnizat de generatoare speciale. Directia procesului de schimbare a starii aerului amestecat cu abur saturat este aratata in fig. IG – 13. Aerul avand in diagrama I-x stare initiala in punctul 1 primeste de la abur umiditate si caldura, cresterea continutului sau de vapori fiind Δx, iar cresterea entalpiei Δi. Daca starea finala a aerului este figurata prin punctul 2, se poate scrie: i2 = i1 + ivaΔx [kcal/kg] deci

61

Δi = i2 – i1 = ivaΔx

Directia procesului va fi: vaiΔxΔiε ==

Fig. IG – 13. Umidificarea izo- termica a aerului cu abur satu- rat uscat in care entalpia aburului de temperatura tab este iva = 0,44 tab + 597,3 Comparand cu entalpia vaporilor de apa la temperatura t a aerului iv = 0,44 t + 597,3 se constata ca diferenta: iva – iv = 0,44 (tab – t) este foarte mica astfel incat se poate admite ca directia procesului decurge dupa ε = iv adica izoterma t care are acest coeficient ungiular. Daca debitul de abur este mare procesul de umidificare izotermica ajunge de la starea initiala 1 la starea finala 3, pe curba de saturatie si poate continua pana la starea 4, de-a lungul curbei de saturatie. 6. Tratarea aerului cu substante desicante Micsorarea continutului de umiditate (uscarea) a aerului se poate obtine pe mai multe cai si anume cu baterii de racire (cu tBR<tτ), cu apa rece pulverizata (cu ta<tτ), cu solutii, lichide absorbante, cu substante solide absorbante. Primele doua procedee au fost tratate la alte capitole iar in continuare se dau unele indicatii generale privind folosirea solutiilor si substantelor solide denumite „desicante”.

a. Tratarea cu solutii absorbante Folosirea pentru uscarea aerului a solutiilor de saruri dizolvate in apa se

bazeaza pe faptul ca la suprafata acestora presiunea partiala a vaporilor de apa este mai mica decat cea de la suprafata apei pure, la aceeasi temperatura (psol<papa). Ca urmare, potentialul pe baza caruia se realizeaza transferul de vapori de apa (condensare) intre aer si apa este mai mare in cazul folosirii solutiilor absorbante – cu concentratie si temperatura favorabile – toate in cazul folosirii apei:

(pv – psol)>(pv – pa) Presiunea partiala a vaporilor de apa de la suprafata solutiei este

dependenta de natura substantei dizolvate, de concentratia substantei din solutie si de temperatura acesteia. Aceste dependente se observa in mod clar din fig IG -14 in care sunt trasate in diagrame i-x pentru aer umed, curbele de saturatie in

62

cazul solutiilor mai des folosite, de clorura de calciu si clorura de litiu avand diferite concentratii.

In fig. IG – 15 si IG – 16, se dau diagramele temperatura – presiune – concentratie pentru solutiile de aceleasi substante.

Concentratia se poate exprima prin raportul dintre greutatea substantei dizolvate (Ga) si greutatea solutiei:

[%] 100GG

GKsapa

ss ⋅

+=

sau prin concentratia molara:

)K 0,01(1 MK 10K

s

sM +=

in care M este masa moleculara a substantei dizolvate. Tratarea aerului cu solutii de saruri se face folosind camera de pulverizare similare celor in care se pulverizeaza apa. In aceste aparate, in functie de starea initiala a aerului si de concentratia si temperatura solutiei se pot obtine procese de transformare a starii aerului foarte variate atat de uscare cat si de umidificare, ambele putand fi izotermice sau cu cresterea respectiv scaderea temperaturii. In procesele de uscare a aerului, datorita condensarii vaporilor de apa din aer concentratia substantei din solutie scade in timp ce in procesele de umidificare, concentratia creste datorita evaporarii partiale a apei din soltutie. Din punctul de vedere al caldurii schimbate aceste procese sunt insotite de castig sau consum de caldura avand valori importante. In diagrama i-x din fig. IG – 19b, poate fi urmarit procesul de uscare a aerului avand starea initiala reprezentata prin punctul A1 tratat cu o solutie cu concentratia K1 si temperatura tsol1, deci punctul S1 din diagrama. Existand conditia pv1>psol 1, o parte din vaporii de apa din aer se condenseaza (Δx1) fiind preluata de solutie a carei concentratie va scadea la K2.

3 figuri Admitand ca si in cazul ca procesul de schimbare a starii aerului se desfasoara dupa o dreapta (in realitate dupa o curba), atunci, tinand seama de coeficientul de eficacitate a camerei de tratare, procesul de uscare a aerului cu cresterea temperaturii va fi AB pe directia A-S1. Concentratia solutiei se va modifica de la S1 la . Pe aceeasi diagrama s-au mai trasat: procesul de uscare izotermica '

1SAC(in cazul tsol2 = tA adica in punctul S2) si procesul de uscare cu scaderea temperaturii AD (in cazul tsol 3<tA, adica punctul S3).

63

Fig. IG – 17. Procese de uscare a aerului folosind solutii absorbante (reprezentarea in diagrama i-x)

Pentru procesele de umidificare folosind aceleasi solutii de saruri trebuie creata conditia pv<psol, reprezentarea in diagrama i-x, fiind aratata in fig IG – 18.

idificare a aerului folosind

solutii de saruri

pentru uscarea

Fig. IG – 18. Reprezentarea in diagrama i-x aproceselor de um

Solutiile de clorura

de calciu, clorura de litiu (sistem Kathabar) sau de alte saruri se folosesc de regula aerului. Dupa cum s-a aratat odata cu acest proces se produce si o scadere a concetratiei solutiei fiind necesara „reconcentrarea” ei. Aceasta operatie se poate face prin adaugarea

continua in solutie a unei cantitati de saruri, prin evaporarea apei excendentare din solutie (egala cu cea provenita din condensarea vaporilor de apa din aer) sau prin racirea solutiei si indepartarea cristalelor de gheata formate. Procedeul de reconcentrare prin adaugarea de saruri are dezavantaje importante legate mai ales de necesitatea indepartarii solutiei excendentare si de problemele ce apar la evacuarea acesteia in sistemul de canalizare. Procedeul de reconcentrare cel mai folosit este cel in care surplusul de apa este indepartat prin evaporare. Pentru

64

exemplificare in fig. IG – 19a, se arata o schema de principiu pentru reconcentrarea (regenerarea) solutiei de clorura de litiu, in care evaporarea apei suplimentare se realizeaza folosind o camera de pulverizare a solutiei. In fig. IG – 19b, se arata (calitativ) procesele de uscare a aerului si de regenerare a solutiei,

A1 si poate fi folosit; - concentratia solutiei scade de la K1 la K2 (de la S1 la S2),

trasate in diagrama i-x. Pe scurt procesele din instalatie sunt urmatoarele: - aerul (A) tratat cu o solutie care are in stratul de la suprafata picaturilor starea S1, cu concentratia K1 este uscat pana la starea ceruta

Fig. IGa.

– 19. Instalatii de uscare a aerulu

ea proceselor in

ca in lverizarea ei in camera de regenerare sa piarda prin

i cu regenerare simultana a solutiei:

a – schema de principiu a instalatiei.

b-reprezentardiagrama i-x

b.

si pentru regenerare este incalzita pana la '2S , cu temperatura considerabil

aleasa, astfel in t pr puevaporare cantitatea de apa necesara reversarii in concentratia initiala K1 (procesul de la '

2S la '1S );

65

- aerul folosit pentru preluarea vaporilor de apa din camera de regenerare (in exemplu s-a luat tot aer de stare A) se umidifica pana la starea A2 si este vacuat sau poate fi folosit;

de caldura (racitor) cuapa

e - in continuare solutia este racita intr-un schimbator

rece ajungand la starrea initiala necesara uscarii aerului (de la '1S la S1).

b. Uscarea aerului cu substante solide adsorbante

Substantele adsorbante, dintre cele mai folosite sunt silicagelul (SiO ) si alumogelul (Al O ), au o structura deosebit de poroasa. Astfel un kilogram de silicagel are o suprafata interioara de aproximativ 400.000 m , iar alumogelul de aproximativ 250.000 m , iar din interiorul substantei se gaseste totdeauna o cantitate de apa, prin trecerea aerului se produce o condensare (capilara) a vaporilor de apa. Din cauza concavitatii, presiunea partiala a vaporilor de apa de la suprafata lichidului din capilare este mai mica decat cea de la o suprafata

secinta procesul de condensare este

2

2 32

2

plana de apa, la aceeasi temperatura si in comult mai puternic. De obicei dimensiuni de 1-3 mm, iar temperatura m

nse flosesc granule de SiO2 sau Al2O3 cu

l

adsorbtie este insotit de degajare

streaza, analizand mai atent fenomenul, ca ε = t2 (t2 – temperatura finala a aerului), insa deoarece t2 este mult sub 100°C, in calculele

ateria ului adsorbant nu trebuie sa depaseasca 35°C la SiO2 si respectiv 25°C la Al2O3. Cantitatea maxima de umiditate retinuta la saturatia adsorbantului este a = 0,08...0,10 la SiO2 si a = 0,04...0,10 la Al2O3 socotite din greutatea materialului uscat. Pentru exemplificare se da fig. IG – 20 graficul variatiei teoretice a continutului de umiditate x al aerului. Dupa cum rezulta din acest grafic capacitatea de adsorbtie scade cu cresterea temperaturii. Cum fenomenul de

importanta de cladura (circa 600 kcal/kg), atat aerul cat si materialul adsorbant se incalzesc.

Procesul de schimbare a starii aerului tratat cu substante solide adsorbante se poate considera ca se produce aproximativ in conditiile mentinerii constante a entalpiei aerului (ε≅ 0) cu cresterea temperaturii, adica este un proces de uscare adiabatica. Aceasta se explica prin faptul ca prin condensarea vaporilor de apa din aer in adsorbant se degaja caldura latenta de vaporizare care este preluata de aer. In realitate se demon

66

grafice folosind diagrama i-x, se accepta directia ε≅ 0 (similar procesului de

procesul 1-2) si

Suprafata frontala a stratului de ta de relatia:

umidificare adiabatica). In fig. IG – 21 se arata reprezentarea directiei reale (conventionale (procesul 1-2’) a procesului de uscare adiabatica. granule de adsorbant este da

v γ3600

LP = [m2]

ig. IG – 21. directia procesului de e cu adsorbanti solizi

ea specifica a aerului, in kgf/m ;

/s. miditatea extrasa din aer este L Δx, volumul stratului de adsorbant

F uscar in care: L – este debitul de aer tratat, in kgf/h; γ – greutat 3

v – viteza aerului raportata la suprafata frontala a stratului care se ia intre 0,15 si 0,50 m Daca uva fi:

z γa a

in care:

Δx LV = [m3]

adsorbiti, la saturatia dsorb t;

z – timpul de adsorb re. In aceste conditii grosimea stratului necesar de granule va fi:

a – este cantitatea limita de vapori de apa a antului, in kgf apa/kgf adsorban γa – greutatea specifica a adsorbantului in kgf/m3; tie, in o

a γa

vz Δx γ 3600 FVδ = [m]

Pierderea de sarcina la trecerea aerului printr-un strat de granule de

a prin trecerea unui curent de aer cald sau

adsorbant se determina cu relatia: P = (3,5....4,0) δ v2 [kgf/m2] Dupa cum s-a aratat, dupa un timp de functionare care poate fi destul de mic (de exemplu 10 minute – 8 ore, umiditatea adsorbantului creste peste limita propusa, iar capacitatea de adsorbtie scade. Este necesar deci ca stratul adsotbant sa fie „reactivat”, ceea ce se realizeaz

67

68

ece in procesul reactivarii stratul adsorbant se incalzeste pana la 100

ocesului de uscare a aerului se prevad de obicei doua

sorbanti solizi este necesar de cele mai multe ori ca erul sa fie racit si unudificat prin metodele curent folosite (baterii de racire, amere de pulverizare).

de gaze arse, filtrate, avand o temperatura de 180° - 240°C, sub actiunea caruia apa acumulata in capilare se evapora. Deoar- 110°C este necesar ca inainte de refolosire sa fie racit prin trecerea unui curent de aer rece. Timpul necesar reactivarii se poate lua egal cu cel de adsorbtie. Pentru asigurarea continuitatii pragragate din care unul lucreaza ca adsorbant in timp ce celalalt este supus procesului de reactivare. Pentru a obtine in final parametrii ceruti, dupa uscarea aerului cu adsorbanti lichizi sau adac