Probleme generale

Aerul incaperilor din cladirile civie si industriale tinde sa-si modifice permanent parametrii de stare ca urmare a aporturilor (pierderilor), a degajarilor de caldura si a degajarilor si consumurilor de umiditate sau, altfel spus, ca umrare a variatiei permanente a sarcinilor (bilanturilor) termice si de umiditate. Mentinerea aerului din incaperi la parametrii prescrisi presupune extragerea caldurii si umiditatii in exces sau introducerea acestora acolo unde sunt deficitare, pentru a se mentine starea de echilibru. Sistemele de tratare a aerului se refera numai la procesele termice, mentinerea concentratiilor celorlalte doua noxe (gaze sau vapori, praf) sub sau la valorile admisibile presupune introducerea in incaperi a anumitor debite de aer, indiferent de tratamentele termice la care acestea sunt supuse. Mentinerea starii de echilibru termic, in conditiile unui debit de aer pentru ventilare, dat, presupune introducerea aerului in incaperea sau incaperile considerate cu parametri permanent variabili, dar in stransa dependenta cu variatia bilanturilor termice si de umiditate. Realizarea parametrilor variabili ai aerului refulat are loc in afara incaperii deservite, in echipamente special construite. In unele situatii particulare (de exemplu, umidificarea aerului cu abur sau apa) procesul de tratare a aerului are loc chiar in incaperea considerata. Chiar si in conditiile utilizarii unor instalatii cu debit de aer variabil, parametrii aerului refulat in incaperi sunt variabili de-alungul anului, in functie de temperatura aerului exterior, variatiile, insa, sunt mai mici, deoarece acordarea cu variatiile sarcinii termice si de umiditate se face prin modificarea debitului de aer si nu a parametrilor momentani. Incalzirea sau racirea aerului intr-o incapere, fata de temperatura normala a acesteia, sunt situatii particulare cauzate de punerea in functiune sau de oprirea instalatiei si nu prezinta importanta pentru problema in studiu. In acelasi mod trebuie privite si abaterile umiditatii aerului. Procesele simple de incalzire, de racire, la x=constant si de amestec au fost tratate la 3.4.

Tratarea aerului cu apa

Modificarea starii aerului prin punerea acestuia in contact cu apa este un procedeu destul de vechi, folosit pe larg si in prezent, cu toate ca asistam la o accentuare a crizei de apa. In acest din urma caz se urmareste utilizarea unor procedee care sa duca la reducerea debitului specific de apa pentru tratarea aerului [kg apa/kg aer tratat]. Concomitent se urmareste si reducerea dimensiunilor echipamentului de tratare a aerului cu apa. Se au in vedere procesele termodinamice ce au oc intre aer si apa, urmand ca aspectele legate de continutul de impuritati al apei de tratare sa fie luate in considerare la descrierea echipamentului repsectiv (fig. 4.2.1)

- Modelul simplificat al schimbului dintre aer si apa

Pentru a intelege mai usor modificarea starii aerului, respectiv, directia in lungul careia are loc aceasta evolutie se recurge la o analogie cu amestecul a doua cantitati de aer, cu stari diferite (fig. 4.2.2.)

Aerul de stare 1 este alcatuit dintr-o infinitate de picaturi fine avand temperatura t1 si continutul de umiditate x1. Starea 2 este alcatuita, la randul ei, dintr-o infinitate de particue fine de apa, acoperite cu un film foarte subtire de aer (strat limita) avand aceeasi temperatura cu a apei, constanta si egala cu t2. Se accepta deci simplificarea ca se amesteca aer cu starile 2 si, respectiv, 2. De la amestecul a doua cantitati de aer se stie ca starea finala se gaseste pe dreapta care uneste cele doua stari, initiala si finala, deci in 3. Starea 3 se afla mai aproape de 2 daca numarul particulelor de “aer” de stare 2 este mai mare, respectiv, debitul de apa pulverizata este mai mare. In realitate, directia desfasurarii proceselor se abate de la dreapta 1-2, evoluand pe traiectorii apropiate 1-4-3’ sau 1-5-3’’, in functie de sensul relativ aer-apa si de finetea particulelor.

In practica se considera, in mod conventional, ca evolutia starii aerului in contact cu apa se desfasoara pe directia 1-2 data de starea initiala a aerului 1 si de temperatura initiala a apei, ta=t2, considerata constanta in procesul de schimb.

Procese posibile de modificare a starii aerului in contact cu apa

- Analiza proceselor de modificare a starii aerului in contact cu apa

Studiul proceselor de schimbare a starii aerului in contact cu apa se poate face pe baza expresiei fluxului elementar de caldura dat de relatia (fig. 4.2.2).

Plecam de la observatia ca pot avea loc situatiile:

t>=<ta; x>=<xa

In cazul schimbului de caldura perceptibila ΔQp = α*(t-ta)dS cele 3 cazuri reprezinta:

t>ta, ΔQp>0, aerul cedeaza caldura apei, racindu-se;

t=ta, ΔQp=0, aerul isi mentine temperatura neexistand schimb de caldura perceptibila;

t<ta, ΔQp<0, aerul primeste caldura de la apa, incalzindu-se.

In cazul schimbului de caldura latenta, ΔQl = σ*r0*(x –xa)dS cele trei cazuri reprezinta: x>xa, respectiv ta<tτ; ΔQl<0, aerul cedeaza apei caldura latenta (odata cu vaporii de apa ce se condenseaza) si se usuca; x=xa, respectiv ta=tτ, schimbul de caldura latenta este nul, ΔQl=0; x>xa, respectiv, ta > tτ, ΔQl<0, aerul primeste caldura latenta odata cu apa care se evapora.

In realitate, au loc procese in care se modifica atat temperatura cat si continutul de umiditate rezultand mai multe procese (incalzire cu umidificare, racire cu umidificare, racire cu uscare etc).

Analiza proceselor posibile de schimbare a starii aerului in contact cu apa se face in diagrama h-x utilizand scara unghiulara (raza procesului) ε=Δh/Δx. Dupa cum se poate observa in diagrama din fig 4.2.3, procesele pot evolua pe 7 directii, directii stabilite in raport cu dreptele caracteristice unei stari initiale A: t=constant, h = constant, x = constant. Au fost

notate cu 1, 2, … , 7 starile finale ale aerului in procesele reale si cu 1’, 2’, …. 7’, in cele ideala.

Procesele de schimbare a starii aerului in contact cu apa se pot desfasura dupa cum se vede in zona cuprinsa in diagrama h-x intre tangentele A-1’ si A-7’ la curba de saturatie. Daca temperatura corespunzatoare punctului 7’ este mai mica decat 0 °C, limitele preceselor se restrang. Procesee posibile de tratare a aerului cu apa sunt redate sintetic in tab 4.2.1. Procesele A-1, 3, 5, 7 sunt procese politropice. Procese de tip A-1 au loc in turnurile de racire a apei, domeniu apartinand instalatiilor frigorifice. Dintre procesele prezentate, cele mai utilizate sunt cele care decurg la x = constant, h = constant si t=constant.

Umidificarea izotermica

In practica acest proces este mai comod sa se realizeze cu abur saturat uscat, decat cu apa pulverizata. Este util de stiut care este valoarea razei procesului ε dupa care se desfasoara.

Cu notatiile din fig 4.2.3 putem scrie ta = t2= t:

ε = Δh/Δx = (h2-ha)/(x2-xa) = [cpt+(ro+cpv*t)x2-cpt-(r0+cpvt)xa]/x2-xA = r0+cpvt = hv

(4.2.1). in care: hv – entalpia vaporilor de apa.

Temperatura poate avea valori cuprinse intre 0 si 100 °C pentru care ε este cuprins intre 2500 si 2684. In realitate, apa pulverizata nu depaseste 30°C astfel ca unghiul format de cele doua directii (2500 si 2550) este foarte mic, in practica se poate considera ca evolutia proceselor de umidificare izotermica are loc dupa directia ε=2500.

Umidificarea adiabatica

Procesul de umidificare la ε = constant (fig. 4.2.3 si 4.2.4) presupune ca ε =0 deoarece Δh = 0. Scriind sub forma dezvoltata Δh = 0 si notand hA =h4 =h se obtine: cptA+(r0+cpvtA)xA = cpt4 +(r0+cpvt4)x4 sau cp(tA-t2)=r0(x4-xA)+cpv(t4x4-tAxA) deoarece cpv(t4X4-tAxA) << r0(x4-xA) se poate neglija acest termen si deci cp(tA-t4) = r0(x4 – xA) (4.2.2).

Caldura perceptibila pe care o cedeaza aerul racindu-se de la tA la t4 (procesul se mai numeste si de “racire adiabatica”) serveste la evaporarea unei cantitati de apa proportionala cu x4-xA=Δx.

Aerul, racindu-se, cedeaza apei o cantitate de caldura perceptibila r0ΔX (raportarea se face la 1 kg de aer) care serveste la evaporarea a Δx kg de apa, vapori preluati de aer. Aerul primeste odata cu vaporii si caldura perceptibila cantinuta in apa care s-a evaporat, respectiv, (r0+cata)Δx. Diferenta entalpiilor finala si initiala este: Δh=(r0+cata)Δx – r0Δx = cata ΔX, iar raza procesului: (4.2.3) directie dupa care are loc, in realitate, umiditate adiabatica.

Deoarece temperatura apei pulverizate, ta, cu care se lucreaza in mod curent este mai mica si valorile ε’ rezultate vor fi mici iar unghiul dintre ε’ si ε fiind foarte mic se poate considera, pentru practica, o evolutie conventionala dupa directia ε=0. Umidificarea adiabatica este larg utilizata in instalatiile de climatizare, in mod curent, in perioada de iarna.

Pentru unele procese de tratare complexa se foloseste umidificarea adiabatica tot timpul anului. Acest procedeu este simplu si avantajos, realizat cu ajutorul unei instalatii de pulverizare in circuitul careia se intercaleaza o pompa. Aceasta preia apa din bazinul camerei de tratare si o pulverizeaza, prin intermediul unor duze, in curentul de aer. Apa evaporata (circa 2…3 % din apa recirculata) este completata prin intermediul unui robinet cu plutitor. Temperatura apei pluverizate se mentine permanent la valoare temperaturii dupa termometru umed, ta = t’, nefiind deci necesara nici incalzirea, nici racirea acesteia. Chiar in conditiile in care temperatura apei este diferita de t’, dupa scurt timp, aceasta tinde catre valoarea de echilibru t’.

Procesul real, 2’’, va fi cu atat mai aproape de cel ideal, 2, cu cat coeficientul de stropire (pulverizare) va fi mai mare. Acest coeficient de pulverizare reprezinta raportul dintre cantitatea de apa pulverizata si debitul de aer tratat ceea ce inseamna acelasi lucru cu cantitatea de apa necesara tratarii unui kg de aer si se exprima in [kg apa/kg aer tratat].

Procese politropice

Spre deosebire de umidificarea adiabatica, la care temperatura apei de tratare ramane constanta, in cazul proceselor politropice, alaturi de modificarea starii aerului, are loc si o modificare a temperaturii apei pulverizate, aspect care rezulta din relatia de bilant termic: (4.2.4) in care: Qreal – schimbul real de caldura dintre aer si apa [kW]; L – debitul de aer supus tratarii [kg/s]; h1, h2 – entalpiile initiala si finala ale aerului supus tratarii [kJ/kg]; Ga – debitul de apa pulverizata [kg/s]; ca – caldura specifica a apei [kJ/kg*K]; ta1, ta2 – temperaturile initiala si finala ale apei pulverizate [°C].

Din relatia 4.2.3 rezulta (4.2.5) ceea ce inseamna ca variatia entalpiei este direct proportionala cu coeficientul de stropire, μ, si cu diferenta de temperatura a apei. Marind coeficientul de stropire, se mareste Δh, procesul real apropiindu-se de procesul idel. Acesta marire a coeficientului μ nu se poate face oricat, fiind limitat pe considerente economice.

Se considera un proces politropic de racire si uscare (fig. 4.2.5), aerul avand starea initiala 1, iar apa, starea initiala 3. Punand in contact direct aerul avand starea 1 cu apa de stare 3, se constata ca starea aerului se deplaseaza de la 1 sper 2, in timp ce temperatura apei, creste de la 3 sper 4.

Starea 2 este starea finala a aerului in procesul real iar 4, starea finala a apei, tot in procesul real, procese realizate in conditiile utilizarii unui anumit coeficient de pulverizare μ.

Se poate mari coeficientul de pulverizare astfel incat starea finala a aerului 5 si apei 6 sa se gaseasca pe aceeasi adiabata, solutie care reprezinta maximum posibil de uscare si racire a aerului, solutie intalnita cand temperatura apei devine egala cu temperatura dupa termometrul umed. Marind, in continuare, debitul de apa, evolutia aerului va avea loc, la h = constant, de la 5 la 6. In procesul ideal, starile finale ale aerului si apei (pentru un coeficient de stropire μ = ∞) vor fi 6.

Procesul de racire si uscare 1 – 5 continua cu un proces de umidificare, nedorit, 5 – 6. Cercetari recente asupra camerelor de pulverizate au aratat ca din cauza imposibilitatii

inlaturarii formarii picaturilor foarte fine de apa, in procesul de stropire, aceastea se evapora, practic, instantaneu, astfel ca procesul de racire si uscare este insotit totdeauna si de un proces de umidificare adiabatica.

Procesele politropice de variatie a starii aerului in contact cu apa din camerele de pulverizare pot fi construite in diagrama h-x, pentru procese in echicurent si in contracurent (fig 4.2.6).

Deoarece in practica nu intereseaza starile intermediare ale aerului, ci numai cele initala si finala, se considera, ca evolutia are loc in ungul dreptei ce uneste cele doua stari.

Tratarea aerului cu abur

Procedeul de tratare a aerului cu abur saturat uscat consta in injectarea cu abur direct in curentul de aer. Injectarea, in functie de posibilitatile locale si de echipamentul adoptat, se face in agregatul de ventilare sau climatizare, pe reteaua canalelor de introducere sau direct, in incaperea deservita. Evolutia starii aerului are loc la t = constant (fig. 4.3.1). Aerului de stare 1 I se adauga o cantitate de vapori Δx avand entalpia ha astfel incat aerul va avea in starea finala 2 entalpia h2=h1+Δxha. Raza procesului (directia de desfasurare) va fi :

Ε=(h+Δx*ha-h)/Δx=ha

Entalpia aburului saturat uscat, ha, injectat in curentul de aer, este putin diferita de entalpia vaporilor de apa corespunzatoare temperaturii aerului, hv, astfel ca se poate considera, cu suficienta exactitate, ca procesul decurge dupa t= constant, adica ε=hv.

Daca debitul de abur injectat este mare, starea aerului interior ajunge la saturatie in 3.

Daca se continua injectarea dupa atingerea saturatiei, se produce ceata, o parte din abur condenseaza, cedand caldura de evaporareaerului care-si va mari temperatura, evolutia, in continuare, avand loc pe curba de saturatie.

Asupra calitatii aburului injectat aer se vor face referiri la descrierea echipamentului respectiv.

Tratarea aerului cu substante desicante

Substantele desicante in stare solida sau lichida poseda proprietatea de a elimina apa dintr-un corp, cel mai adesea gaz (aer), uscandu-l.

Tratarea aerului cu substante absorbante lichide

Uscarea aerului se obtine utilizand solutii apoase cu diverse concentratii (clorura de litiu, clorura de calciu, trietilenglicol etc.) Condensarea vaporilor de apa din aerul ce urmeaza fi uscat la contactul cu solutiile folosite (contactul se produce in camere de tratare in care se pulverizeaza solutia in curentul de aer cu ajutorul unor duze) are la baza urmatorul mecanism: presiunea partiala a vaporilor de apa la suprafata unei solutii pv-apa, este mai mica decat presiunea vaporilor de apa, pv-apa la suprafata unei panze de apa curata (fig. 4.4.1) in aceleasi

conditii de temperatura (temperatura apei ta, fiind egala cu temperatura solutiei, tsp) datorita proprietatii acestor solutii apoase de a reduce presiunea vaporilor de echiibru sub presiunea de echilibru a vaporilor apei pure. Solutiile cu asemenea proprietati se numesc absorbanti lichizi. Presiunea vaporilor este cu atat mai scazuta cu cat temperatura este mai mica si cu cat concentratia solutiei este mai mare (fig. 4.4.2). Daca se noteaza cu Δp1 diferenta dintre presiunile partiale ale vaporilor de apa din aerul incaperii si la suprafata solutiei, respectiv: (4.4.1) si cu Δp2 diferenta dintre presiunile partiale ale vaporilor de apa din aerul incaperii si la suprafata apei, deci: (4.4.2) rezulta ca: (4.4.3)

Presiunea vaporilor de echilibru ai solutiei fiind inferioara tensiunii (presiunii) vaporilor mediului ambiant, o parte din vaporii de apa din aer vor condensa, cantitatea fiind cu atat mai mare cu cat diferenta de presiune este mai mare, proces care va dura pana la stabilirea unui echilibru, adica pana cand diferenta dintre presiuni devine nula. Ca urmare, in cazul pulverizarii solutiilor absorbante are loc un transfer mai rapid al vaporilor de apa de la aer (aerul supus uscarii) la solutia utilizata, deci o uscare mai puternica a acestuia prin condensarea vaporilor decat in cazul pulverizarii de apa, datorita conditiei 4.4.3. Ca urmare a condensarii vaporilor de apa din aer si preluarii acestora de catre solutie scade si concentratia solutiei si, bineinteles, si eficacitatea ei. Este deci necesar ca solutia sa fie regenerata din timp in timp, proces care consta, de regula, in incalzirea acesteia si deci evaporarea apei aflata in exces, vaporii de apa fiind preluati de un curent de aer. In fig. 4.4.2 sunt prezentate pe diagrama h-x (a aerului umed) curbele de saturatie pentru cateva solutii cu diverse concentratii, solutii frecvent utilizate in practica uscarii aerului cu substante absorbante.

Tratarea aerului cu subtante adsorbante

Substantele adsorbante solide au o structura foarte poroasa oferind sub volum redus o suprafata deosebit de mare. Astfel 1g silicagel (care este bioxid de siliciu obtinut printr-un procedeu special) are o suprafata interioara de cca 300 …50 m2, iar 1 g de alumogel (trioxid de aluminiu) circa 250 m2. In capilarele substantelor adsorbante (avand proprietatea de retinere a particulelor pe suprafata ca urmare a unor fote de tip van der Waals) se gaseste o anumita cantitate de apa pe suprafata careia condenseaza o parte din vaporii de apa ai aerului ce strabate stratul granular de material desicant. Din cauza concavitatii, presiunea partiala a a vaporilor de apa de la suprafata lichidului din capilare este mai mica decat cea de la o suprafata de apa, la aceeasi temperatura, si, ca urmare, procesul de condensare a vaporilor de apa din aerul ce strabte stratul granular este mult mai accentuat.

Materialele desicante se prezinta sub forma de granule avand, de regula, dimensiunile 2…4 mm. Temperaturile de lucru sunt circa 25 °C la alumogel si circa 35 °C la silicagel.

Capacitatea de retinere (raportata la greutatea materialului uscat) este de 8…10% la silicagel si 4…10% la alumogel.

La condensarea vaporilor de apa se elibereaza caldura latenta de vaporizare, si ca urmare, are loc o incalzire atat a aerului cat si a statului granular, proces ce se poate considera ca decurge aproximativ la entalpie constanta, h, cu cresterea temperaturii, deci un proces de uscare adiabatica.

Practic, se considera ca procesul decurge la ε = 0 (similar procesului de umidificare adiabatica); in realitate, el decurge dupa o directie ε = t, in care t este temperatura finala a aerului supus tratarii.

Suprafata frontala a stratului granular adsorbant este data de relatia: (4.4.4) in care: L – debitul de aer tratat [kg/h]; ρ – densitatea aerului [kg/m3]; v – viteza aerului raportata la suprafata frontala a stratului granular, egala cu 0,15 ..0,50 m/s (voptim = 0,2 m/s).

Considerand umiditatea (vaporii de apa) extrasa din aer L*Δx [kg], rezulta volumul necesar de substanta desicanta: (4.4.5) in care: a – cantitatea limita de vapori adsorbiti la saturatia adsorbantului [kg apa/ kg adsorbant]; ρa – densitatea adsorbantului [kg/m3]; z – timpul de adsorbtie [h].

Pierderea de sarcina la trecerea aerului printr-un strat granular de grosime x se determina, in mod aproximativ, cu relatia: (4.4.6).

Dupa un timp de functionare (pana la 8…10 ore) materialul adsorbant trebuie regenerat, operatie care consta in trecerea unui curent de aer, gaze de ardere filtrate sau abur supraincalzit avand o temperatura de 150 .. 200 °C. Regenerarea, care dureaza un timp egal cu cel de adsorbtie, are drept urmare evaporarea apei din capilare. In timpul regenerarii are loc incalzirea stratului pana la circa 100…110 °C fiind necesara racirea acestuia inainte de a fi utilizat din nou. Pentru ca instalatia sa functioneze continuu se prevad 2 uscatoare, in paralel, unul in functie si unul in regenerare.

Sinteza posibilitatior de tratare a aerului

Trecerea in revista a modalitatilor de tratare a aerului arata ca exista multiple posibilitati de modificare a parametrilor acestuia. Adoptarea unui anumit procedeu este legata, in primul rand, de natura procesului pe care urmeaza sa-l sufere aerul si economicitatea procedeului, respectiv, a echipamentului. Teoretic, procesele din diagrama h-x pot evolua dupa orice directie, in practica, se recurge insa la un numar mai restrans, la anumite directii, trecerea de la o stare la alta fiind de cele mai multe ori mai usor de obtinut (mai economic) si de stapanit prin 2-3 procese, cu evolutii dupa directii diferite fiecare. In fig 4.5.1 s-a incercat o sintetizare a posibilitatilor practice si economice de tratare a aerului prin diverse procedee. In figura s-a notat cu I starea initiala a aerului care urmeaza sa fie tratat. Starea finala poate sa rezulte in diferite zone ale diagramei h-x, in functie de procedeul adoptat. Astfel daca se utilizeaza sustante desicante aerul evolueaza de la I la H, proces ce se desfasoara dupa h=constant. Procesele cuprinse in evantaiul AF pot fi realizate prin pulverizare de apa in circuitul deschis si, bineinteles, cu conditia ca temperatura de stopire sa fie superioara celei de 0°C.

Tratarea complexa a aerului de climatizare

Se presupune realizarea unor agregate alcatuite din camere de amestec, filtre, baterii de incalzire si racire, camere de pulverizare, ventilatoare si diverse accesorii care sa asigure realizarea unor procese simple de tratare a aerului, intr-o anumita ordine, usor controlabile si reglabile cu ajutorul carora se aduce aerul la starea necesara (temperatura, umiditate, entalpie

etc.) pentru a fi introdus in incaperi. Modificarea starii aerului in interiorul agregatului de climatizare poate fi realizata in multe feluri, folosind, dupa caz, un numar mai mare sau mai mic de procese simple a caror alegere presupune o analiza tehnico-economica si faptul ca instalatia in care este implementat agregatul functioneaza tot timpul anului, deci la parametri ai aerului exteriorcu variatii foarte mari.

Marimea agregatului de climatizare este determinata, pe de o parte, de debitul de aer tratat, iar, pe de alta parte, de sarcinile termice (de racire si de incalzire) pe care trebuie sa le realizeze. Apartajul din componenta agregatelor necesita surse de caldura (abur, apa calda, apa fierbinte, energie electrica), de frig (apa rece, apa racita), de apa si electricitate, aspecte care trebuie avute in vedere la alcatuirea proceselor de tratare complexa si la care se adauga si cele legate de reglarea proceselor.

Rezolvarea tratarii complexe presupune, pe de o parte, transpunerea in diagrama h-x a proceselor simple in succesiunea lor logica, atat pentru situatia de iarna cat si pentru cea de vara (ca limite extreme intre care variaza parametrii aerului in tot timpul anului), iar, pe de alta parte, alcatuirea constructiva a agregatului de climatizare capabil sa realizeze procesele amintite.

Procese de tratare complexa a aerului iarna

Se analizeaza procesele in functie de anotimp, pozitia punctului de amestec fata de curba de saturatie si de schema de ventilare.