PAVILION ADMINISTRATIV

Cap. 6 INSTALAII DE VENTILAIE I CLIMATIZARE6.1 GeneralitiSub titulatura de instalaii de ventilaie i climatizare sunt cuprinse o gam larg de instalaii care asigur puritatea reclamat a aerului interior i suplimentar meninerea parametrilor de microclimat.

Sistemele de ventilaie pure menin parametrii aerului din incint ntr-un domeniu larg prin aportul de aer exterior i eliminarea aerului interior viciat. Prin ataarea de elemente care realizeaz i o finisare a temperaturii (bateri de nclzire, baterii de rcire, recuperatoare de cldur) i umiditii (umidificatoare, dezumidificatoare) aerului introdus complexitatea lor crete.Instalaiile de climatizare sunt instalaii complexe care menin la valori stricte parametrii aerului din incinta climatizat (temperatur, umiditate, puritatea aerului). De multe ori n literatura de specialitate i mai ales n practica curent instalaiile de ventilare i climatizare sunt tratate mpreun cu instalaiile de nclzire sub apelativul generic HVAC heating, ventilation and air conditioning ca fiind tehnologia de asigurarea confortului termic interior. 6.2 Aerul umed

Aerul umed este denumirea soluiei gazoase constituite din componentele aer uscat i vapori de ap.

Componenta aer uscat este preponderent n amestec, are la nivel global aceeai compoziie medie prezentat n tabelul 6.1.

Funcie de locaie aerul atmosferic mai conine i o serie de alte componente degajate n urma activitilor naturale i a celor umane. Acetia sunt cantiti variabile de particule solide de natur diferit (praf) i componeni lichizi sau gazoi poluani (noxe).

Tabel 6.1 Compoziia aerului atmosferic uscat i curat

Nr. crt.Gaze componenteMasa kilomolar

M

[kg/kmol]Participaia volumic

(i

[%]Participaia masic

(i

[%]

1Azot28,01678,0975,52

2Oxigen32,00020,9523,15

3Argon39,9440,931,28

4Bioxid de carbon44,0100,030,05

5Neon20,1830,0018(0,002

6Heliu4,0030,000524

7Cripton84,1700,0001

8Hidrogen2,0160,00005

9Xenon131,3000,000001

10Ozon48,0008x10-6

11Radon222,0006x10-13

12Aer uscat28,97100100

Cealalt component a soluiei, apa n faza ei gazoas este neglijabil din punct de vedere masic dar cu un comportament termodinamic diferit fa de aerul uscat.

Din punct de vedere al comportrii termodinamice i n particular al transformrii de faz, fiecare component a unui amestec se comport ca i cnd s-ar afla la temperatura amestecului i la presiunea sa parial.

Starea componentei aer uscat, n domeniul de temperaturi ambientale i presiunea parial corespunztoare (practic cea atmosferic), este foarte departe de curba limit de condensare (vapori supranclzii) i ca atare n procesele de tratament nu schimb faza. Mai mult, n studiul termodinamic, aerul uscat poate fi considerat un gaz perfect astfel c aplicarea legilor gazelor perfecte implic erori neglijabile.

Nu acelai lucru se poate spune despre vaporii de ap prezeni n soluie.

Datorit presiunii pariale sczute (de ordinul milibarilor), starea componentei vapori de ap este amplasat foarte aproape de curba limit de condensare cea ce poate duce la transformri de faz n unele procese de tratament ale aerului. Din acest punct de vedere, componenta vapori de ap se comport ca un gaz real.

Totui, n studiul termodinamic al aerului umed, cu excepia transformrii de faz componenta vapori de ap poate fi considerat un gaz perfect datorit participaiei cantitative nesemnificative.

Fig. 6.1 Comportarea termodinamic a componentei vapori de ap n procesul de umidificare izoterm Aflat la o anumit temperatur, aerul umed poate ngloba n structur o cantitate limit de vapori de ap care crete cu creterea temperaturi. n sprijinul acestei afirmaii se consider n diagrama T-s i pv-v un proces izoterm de umidificare a aerului (fig. 6.1).

Starea iniial a componentei vapori de ap (1) este o stare de vapori supranclzii cu presiunea parial .Prin injectarea unei cantiti de vapori de ap la temperatur constant (, proces izoterm) participaia masic a acestora n amestecul aer umed va crete ducnd la creterea presiunii pariale a vaporilor de ap. Starea vaporilor umezi dup acest proces este reprezentat prin punctul 2.

Dac se continu cu injecia de vapori la , presiunea parial n amestec a vaporilor crete ajungndu-se la un moment dat ca starea vaporilor din amestec s nu mai fie de vapori supranclzii ci de vapori saturai uscai (3). Continuarea procesului de injecie izoterm de vapori ar trebui s duc la creterea presiunii pariale a vaporilor dar, cum se poate observa din diagrame, pe domeniul bifazic presiunea i temperatura rmn constante fapt ce indic transformarea n lichid a cantitii de vapori suplimentar introdus i separarea ei pe suprafeele de temperatur mai sczut (fenomenul de condens).

Aerul umed care conine n structur, la o anumit temperatur, cantitatea maxim de vapori (aflai n starea de vapori saturai uscai) se numete aer umed saturat.Aerul umed care conine n structur, la o anumit temperatur, o cantitate mai mic de vapori dect cea pe care-i poate ngloba la acea temperatur (aflai n starea de vapori supranclzii) se numete aer umed nesaturat.

Aerul umed care conine n structur, la o anumit temperatur, o cantitate mai mare de ap dect cantitatea maxim de vapori de ap cea pe care-i poate ngloba la acea temperatur (ap aflat n starea de vapori saturai uscai i sub form de picturi de lichid fine n suspensie) se numete aer umed suprasaturat.

Starea de aer umed saturat fiind o stare de echilibru termodinamic este o stare stabil pe cnd cea de aer umed nesaturat i cea de aer umed suprasaturat sunt stri de dezechilibru termodinamic, deci instabile. Consecina acestui fapt este c aerul umed nesaturat are o tendin de nglobare n structur a vaporilor de ap (proporional cu gradul de nesaturare) iar aerul umed suprasaturat are tendina de ajungere la saturaie prin eliminarea surplusului de umiditate sub form de condens.

6.3 Mrimile de starea ale aerului umed

Mrimile de starea ale unui sistem sunt definite ca mrimi fizice (parametri i funcii) care caracterizeaz o anumit stare de echilibru a sistemului. Parametrii sunt mrimi msurabile iar funciile pot fi determinate pe baza relaiilor termodinamice i pe baza valorilor parametrilor.

Deoarece compoziia cantitativ a aerului umed este variabil funcie de cantitatea componentei vapori de ap, mrimile de stare ale aerului umed se raporteaz la 1 kg de aer uscat (cu compoziie practic invariabil).

6.3.1 Umiditatea absolut a aerului umed

Umiditatea absolut sau coninutul de umiditate a aerului umed reprezint cantitatea de vapori de ap coninui ntr-un kilogram de aer uscat:

;[kg vapori ap/kg aer uscat](6.1)

unde semnificaia mrimilor este:

- masa vaporilor de ap coninui n sistem [kg]

- masa aerului uscat din sistem [kg]

n cazul limit cnd cantitatea de vapori de ap coninut este cea maxim pentru temperatura i presiunea amestecului atunci mrimea se numete umiditate absolut la saturaie:

;[kg vapori ap/kg aer uscat](6.2)

unde semnificaia mrimilor este:

- masa vaporilor de ap coninui n sistem la saturaie [kg]

- masa aerului uscat din sistem la saturaie [kg]

Dac considerm ambii componeni ai amestecului aer umed ca fiind gaze perfecte (pentru motivele specificate anterior) din ecuaiile de stare a gazelor perfecte scrise pentru ambele componente:

;[J]

(6.3)

;[J]

(6.4)

obinem:

[kg vapori ap/kg aer uscat](6.5)

n cazul atingeri echilibrului (la saturaie) relaia devine:

;[kg vapori ap/kg aer uscat](6.6)

unde semnificaia mrimilor este:

- presiunea total a soluiei aer umed [N/m2]

- presiunea parial a vaporilor de ap coninui n sistem la saturaie [N/m2]

6.3.2 Umiditatea relativ a aerului umed

Umiditatea relativ a aerului umed este definit ca fiind cantitatea de vapori de ap coninui ntr-un m3 de aer umed raportat la cantitatea maxim de vapori de ap coninui ntr-un m3 de aer umed (aflat n starea de saturaie), pentru aceeai temperatur i presiune total.

;[-]

(6.7)

unde semnificaia mrimilor este:

- densitatea vaporilor din sistem (relativ la volumul sistemului) [kg/m3]

- densitatea vaporilor din sistem n starea de saturaie [kg/m3]Pentru gaze ideale ecuaia de stare pentru unitatea de volum 1m3 provine din ecuaiile (6.3) prin raportarea la volumul sistemului:

;[J]

(6.8)

iar la saturaie:

;[J]

(6.9)

caz n care relaia (6.7) devine:

;[-]

(6.10)

Umiditatea relativ este o mrime adimensional i ia valori n domeniul [01]. Din acest motiv, se exprim deseori procentual.

Pentru aerul uscat umiditatea relativ este (procentual ) iar pentru aerul umed saturat (procentual ).

6.3.3 Gradul de saturare al aerului umed

Gradul de saturare al aerului umed (() reprezint raportul dintre umiditatea absolut i umiditatea absolut la saturaie:

;[-](6.11)

Egalitatea dintre umiditatea relativ i gradul de saturaie este justificat datorit valorilor mici pe care presiunile de vapori(chiar i la saturaie) le au n comparaie cu presiunea total a amestecului.

6.3.4 Presiunea parial a vaporilor de ap

ntr-o soluie, presiunea parial a unui component este definit ca fiind presiunea pe care ar exercita-o componenta dac ar ocupa singur ntreg volumul amestecului. n particular raportat la aerul umed, presiunea parial a vaporilor de ap, este presiunea pe care ar avea-o vaporii de ap dac ar umple singuri ntreg volumul sistemului.

Din relaia de definiie a umiditi absolute (relaia 6.5) se poate exprima :

[N/m2](6.12)

iar pentru starea de saturaie:

[N/m2]

(6.13)

6.3.5 Presiunea aerului umed

Presiunea sau presiunea total a unui sistem, reprezint presiunea msurabil cu ajutorul instrumentelor de msur.

n cazul amestecului aer umed este suma presiunilor pariale ale componenilor:

[N/m2]

(6.14)

Pentru cele mai multe aplicaii practice aerul umed, ca agent termodinamic, este utilizat la presiunea atmosferic (barometric). Presiunea barometric este presiunea atmosferei terestre [N/m2] i este dependent de altitudinea locului i de condiiile meteorologice. Variaiile de presiune din instalaiile de ventilare i climatizare datorate ventilatoarelor sau pierderilor de presiune pe traseu introduc erori neglijabile cantitativ.

6.3.6 Volumul specific al aerului umedMasa unui amestec de aer umed format dintr-un kilogram de aer uscat i umiditatea coninut n el () este:

[kg aer umed/kg aer uscat](6.15)

Ecuaiile de stare a componentelor aerului umed vzute ca fiind gaze perfecte scris pentru 1 kg aer uscat respectiv pentru x kg de vapori de ap, la temperatura T i presiunea amestecului p, au formele:

[ J]

(6.16) [J]

(6.17)

Care ne furnizeaz volumele ale celor dou componente la presiune p i temperatura T:

[ m3 aer uscat /kg aer uscat](6.18)

[m3vapori ap /kg aer uscat](6.19)

Conform legii lui Amagat volumul total al amestecului de gaze perfecte este suma volumelor pariale ale componentelor ocupate la presiunea total a amestecului.

Cu aceste considerente volumul aerului umed, considerat ca un gaz perfect este:

[m3 aer umed/kg aer uscat](6.20)

Volumul specific al amestecului umed are expresia:

[m3 aer umed/kg aer umed]

(6.21)

Dac se nlocuiete x cu relaia lui de dependen fa de presiune (relaia 6.5) se obine volumele specifice ale aerului umed raportate la 1 kg de aer uscat (6.22) i la 1 kg de aer umed (6.23):

[m3 aer umed/kg aer uscat](6.22)

[m3 aer umed/kg aer umed](6.23)

Analiza relaiilor reliefeaz tendina de variaie a volumelor specifice i anume faptul c va crete odat cu creterea presiunii pariale a vaporilor de ap. Asta nseamn c la saturaie aerul umed are volumul specific cel mai mare (densitatea minim) pentru anumite condiii de presiune i temperatur.

6.3.7 Densitatea aerului umed

Densitatea aerului umed (() reprezint cantitatea de are umed care ocup un volum unitar (1 m3) n anumite condiii de presiune i temperatur.

Prin definiie, expresia densitii este inversul volumului specific:

[kg aer umed/m3 aer umed](6.24)

Densitatea aerului umed crete cu scderea presiunii pariale a vaporilor de ap ceea ce nseamn c la saturaie aerul umed are densitatea minim, pentru aceleai condiii de presiune i temperatur.6.3.8 Entalpia aerului umed Entalpia este o mrime de stare energetic egal cu suma dintre energia intern energia potenial de presiune a sistemului.

Pentru majoritatea aplicaiilor inginereti ea reprezint energia disponibil n sistem.

Fiind o funcie aditiv, entalpia aerului umed (H) se determin prin nsumarea entalpiilor componentelor:

[J]

(6.25)

iar pentru 1kg de aer uscat care conine x kg de vapori, entalpia specific (h) are expresia:

[J/kg aer uscat](6.26)

expresii n care indicii semnific

a - aer uscat;

v - vapori de ap;l - ap lichid coninut n amestecul aer umed;

[kg] - masa apei lichide dintr-un kg de aer uscat

n aplicaiile practice nu intereseaz valoarea absolut a entalpiei (foarte mare din cauza componente U0 a energiei interne) ci variaia. Acest argument justific alegerea convenabil a originii scrii entalpiei.

n diagramele de aer umed originea entalpiei este aleas convenional la 0 C astfel nct:

[J/kg aer uscat]

(6.27)

[J/kg aer uscat] (6.28)

[J/kg aer uscat]

(6.29)

relaii n care mrimile au semnificaiile:

[J/(kgK)] capacitatea caloric specific masic la presiune constant, medie a aerului uscat;

[J/(kgK)] capacitatea caloric specific masic la presiune constant, medie a vaporilor de ap;

[J/(kgK)] capacitatea caloric specific masic la presiune constant, medie a apei lichide;

[J/(kg)] cldura latent de vaporizare a apei;

[C] temperatura pe scara Celsius;

Pentru domeniul aerului nesaturat, cu aceste considerente, entalpia aerului umed devine:

[J/kg aer uscat](6.30)

pentru aerul umed saturat:

[J/kg aer uscat](6.31)

Iar pentru domeniul aerului umed suprasaturat:

[J/kg aer uscat](6.32)

Relaiile sunt valabile pentru presiunea atmosferic i pentru temperaturi ale aerului sub 100 C, domeniu pentru care s-au determinat capacitile calorice specifice medii. Pentru temperaturi peste 100C ntreaga cantitate de ap este sub form de vapori i n consecin capacitatea de preluare a vaporilor de ap a aerului umed n structur este infinit.Pentru determinarea entalpiei specifice raportate la 1 kg de aer umed se raporteaz expresia la masa .

6.3.9 Temperatura aerului umedTemperatura (sau temperatura termometrului uscat) aerului umed () este temperatura exprimat n C, msurat cu ajutorul unui termometru uscat prin echilibru termic conform postulatului II al termodinamicii (principiul de 0).

6.3.10 Temperatura termometrului umed a aerului umedTemperatura termometrului umed a aerului umed () reprezint temperatura final, la saturaie a aerului umed care sufer un proces izobar de umidificare adiabatic. Temperatura termometrului umed este temperatura exprimat n C, msurat cu ajutorul unui termometru al crui rezervor este bandajat ntr-o estur mbibat cu ap i este splat de curentul de aer.

Din punct de vedere fenomenologic, procesul poate fi descris n felul urmtor: Aerul umed nesaturat, n contact cu bandajul umezit, tinde spre starea de echilibru (ncearc s ajung la saturaie). Acest lucru se realizeaz prin nglobarea sub form de vapori a apei lichide aflat n estur. Pentru transformarea lichidului n faza gazoas (vapori) este nevoie de cldur (cldura latent de vaporizare). Cldura este furnizat de aer, din energia sa intern, proces n urma cruia acesta se rcete pn a . Procesul este adiabatic deoarece, dup vaporizare aerul nglobeaz vaporii n structur recuperndu-i energia pierdut.

Deoarece procesul este izobar () i adiabatic (), conform principiului I al termodinamicii scris diferenial, cu expresia:

[J/kg aer uscat](6.33)

rezult c procesul este caracterizat de , respectiv mrimea constant n procesul de umidificare adiabatic este entalpia (energia) care se conserv.

Pentru starea de saturaie (procesul de umidificare nceteaz) cele dou temperaturi se suprapun astfel c temperatura termometrului umed este identic cu temperatura termometrului uscat.

6.3.11 Temperatura de rou a aerului umed

Temperatura de rou a aerului umed () reprezint temperatura final, la saturaie, a aerului umed care sufer un proces izobar de rcire la acelai coninut de umiditate ().Dup cum s-a precizat n paragraful 6.2, cantitatea maxim de vapori care poate fi nglobat de aerul umed scade cu scderea temperaturii. Dac o cantitate de aer nesaturat este rcit, umiditatea ei relativ crete ajungnd la o anumit temperatur s fie egal cu unitatea. Dac temperatura scade sub aceast valoare (temperatura de rou) vaporii de ap n surplus vor condensa i se vor separa, sub forma unor picturi fine (rou) pe concentratorii de condensare (praf, bacterii, etc).

6.4 Diagrama de aer umed (Mollier)

Expresiile analitice ale parametrilor aerului umed sunt destul de complicate i determinarea lor n procesele de transformare de stare ar ngreuna considerabil studiul. Din acest motiv analiza proceselor cu aer umed se face grafo-analitic cu ajutorul diagramelor de aer umed. Cele mai utilizate diagrame sunt cele ridicate de Mollier , Razim , Carrier , Mueller-Koch etc.

Dintre acestea cea mai rspndit este diagrama entalpie umiditate absolut ridicat de Mollier identic cu diagrama lui Razim care are drept specific exprimarea umiditii absolute n grame vapori de ap / kg de aer uscat.

Conform legii fazelor a lui Gibss numrul de parametri independeni necesari pentru precizarea unei stri de aer umed nesaturat este:

[-]

(6.34)

iar pentru aerul umed saturat de 2. unde:

C - reprezint numrul de componente din sistem

F - reprezint numrul de faze n sistem

Ne - reprezint numrul de transformri energetice considerate. Sistemele termodinamice implic transferuri de energie termic i mecanic astfel c valoarea lui Ne este 2;

Pentru precizarea univoc a unei stri de aer umed este nevoie, n consecin de o diagram tridimensional greu de ridicat i utilizat.Simplificarea deriv din faptul c aerul umed este utilizat drept agent termodinamic la presiune egal practic cu presiunea atmosferic aa c unul din parametri respectiv presiunea total a amestecului poate fi ngheat, permind ridicarea unei diagrame bidimensionale.

n literatura de specialitate se regsesc un set de diagrame plane (bidimensionale), de aer umed pentru diferite presiuni totale specificate pe diagrame cu valori n jurul presiunii atmosferice (760 torr).

Acest artificiu restrnge gama de transformri pe care le putem reprezenta n aceast diagram la transformri izobare .Ridicarea diagramei s-a fcut pe baza relaiilor de definiie ale mrimilor de stare ale aerului umed explicitate anterior i in mod fundamental a relaiei:

[kJ/kg aer uscat](6.35)

Diagrama se aer umed se ridic pentru o anumit presiune total a aerului specificat pe diagram i pentru 1 kg de aer uscat ceea ce nseamn c n diagram sunt reprezentate mrimi specifice.

Diagrama de aer umed h x este mprit n dou domenii de curba de aer umed saturat, (=1 (locul geometric al strilor de aer umed saturat pentru ntreg domeniul de temperaturi). Domeniul situat deasupra diagramei poart numele de domeniul aerului umed nesaturat ((